張明洋

(黎明職業(yè)大學信息與電子工程學院，福建泉州362000)

0 引言

基于美觀和安全方面的考慮，建筑物內的照明線路一般都布置在墻壁內。建筑物的二次裝修或者熱水器等電器設備安裝經(jīng)常需要對墻壁進行打孔，由于普通建筑物在初次裝修時并沒有留下具體的照明電纜布線圖，這就存在照明電纜被破壞的可能性，如果當時照明電纜是處于通電狀態(tài)，那么情況將相當危險。這時如果擁有一套照明線路探測儀，將可以快速而準確地定位出照明電纜的布線位置，那么上述的危險性將不復存在。當前市場上的大部分照明線路探測儀是以單片機為控制核心，由于單片機芯片的實時信號處理能力不強，造成探測儀使用時檢測速度慢且精度有限。本設計以具有強大實時信號處理能力的DSP芯片dsPIC33FJ128GP802為控制核心，利用非接觸式電流檢測技術［1］對墻壁內的照明電纜分布進行快速而準確的定位，具有一定的推廣價值。

1 系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，電流檢測模塊通過電磁感應原理將待測照明電纜中的電流信號轉化成為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過信號處理模塊達到濾波和放大效果后進入實時處理能力強大的dsPIC33FJ128GP802芯片進行處理。此時電纜檢測模塊將對通電電纜的位置坐標進行循跡定位，坐標定位結果將通過dsPIC33FJ128GP802芯片處理后顯示在LCD上，同時通過聲光提示電路進行報警提示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片介紹

本照明線路探測儀的主控模塊控制芯片采用的是美國微芯科技公司的16位數(shù)字信號處理器芯片dsPIC33FJ128GP802。dsPIC33FJ128GP802具有強大的實時信號處理能力，每秒可處理多達4千萬條指令;其數(shù)據(jù)寬度為16位，指令寬度為24位;具有3個外部中斷源，閃存為128KB;內部自帶具有兩種工作模式的10通道ADC，采樣位數(shù)為10和12位，轉換速率分別為1.1Msps和500ksps;同時自帶4路16位DAC，最大采樣速率為100ksps，完全滿足本照明線路探測儀的信號處理需要。

2.2 電流檢測電路

由于照明電纜布置在墻壁內，無法直接測量定位，只能采取非接觸式的檢測方法。針對這種情況，本設計采用手工制作的空心檢測線圈來檢測照明電纜電流，這種方法具有感應靈敏和制作簡單等優(yōu)點，且鐵心部位不會發(fā)生飽和以及磁滯現(xiàn)象。

如圖2所示，Io為電纜電流，e為檢測線圈的感應電動勢?？稍O電纜長度l，通電電流I=A sin(ωt)，檢測線圈的中心位置處于電纜中點的垂直線上面，令檢測線圈中心與電纜中心的實際距離為r，依據(jù)電磁感應原理，此時檢測線圈中心點感應到電纜電流所獲得的磁場大小如下:

圖2 電流檢測電路

式(1)中真空磁導率μ0=4π×10-7，θ1=θ和θ2=π-θ分別為檢測線圈中心和待測電纜兩端連線與電流方向的夾角。此時檢測線圈兩端的感應電壓值e將與線圈磁通的變化率成正比［2］，即，則可得到:

式(2)中真空磁導率μ0=4π×10-7，N為檢測線圈的具體匝數(shù)，ω為電纜電流的角度頻率;φ為檢測線圈的磁通量，r為檢測線圈中心點與通電電纜的垂直方向距離，B為檢測線圈中心點的磁感應強度，S為檢測線圈垂直于磁力線方向的截面積，A則為電纜通電電流大小。由公式(2)我們可以知道，在電纜通電電路頻率恒定及線圈與電纜位置保持不變的情況之下，e與Io大小成正比的關系，與r大小成反比的關系［3］。由于檢測線圈由線圈部分和骨架部分構成，為了限制電磁阻尼的非線性影響，骨架部分采用了塑料成分;而線圈部分雖然匝數(shù)N越大越有利于靈敏度的提高，但也會造成分布電容的增大，同時會造成檢測線圈使用不便，綜合各方面因素，實際制作的線圈匝數(shù)為250匝，漆包線的直徑選擇0.211毫米，檢測線圈的外徑為15.16毫米，內徑為7.95毫米。

2.3 信號處理電路

信號處理電路可分為濾波電路部分和放大電路部分，具體可如圖3所示。

2.3.1 濾波電路

為了測試的便利性，我們后面將以家庭中常用的白熾燈和節(jié)能燈進行模擬環(huán)境測試，其中白熾燈功率為60W，頻率為50Hz，而節(jié)能燈功率為11W，頻率為100Hz。由于有頻率不同的兩路信號，濾波電路將50Hz和100Hz兩個頻率點的信號濾波出來后送至后面的放大電路進行處理。

圖3 信號處理電路

如圖3上半部分60W電路采用的是二階低通濾波結構，電路中可令R1和R2的阻值為R，C1和C2的電容值為C，根據(jù)相量法可以得到如下關系:

如圖3下半部分11W電路采用的是二階無源帶通濾波結構，電路中可令R6和R29的阻值為R，C4和C5的電容值為C，根據(jù)相量法可以得到如下關系:

2.3.2 放大電路

由于信號經(jīng)過濾波電路會受到一定的衰減影響，所以在信號進入主控芯片dsPIC33FJ128GP802之前必須進行一定的放大。如圖3所示，放大電路采用了電流反饋式偏置結構，由三極管兩級級聯(lián)構成。電路中IE為三極管發(fā)射級電流，UE為三極管射級電阻電壓，UBE為三極管基極和發(fā)射極之間的電勢差，IC為三極管集電極電流，IB為三極管基極電流?？烧{整UBE，當溫度上升時IC變大，UE會使得IB變小，從而IC增幅變小，達到了穩(wěn)定三極管靜態(tài)工作點的目的，電路的放大效果即可保持恒定，圖3中放大倍數(shù)Au約為11000。

2.4 電纜檢測電路

照明線路探測儀有對照明電纜進行位置坐標定位并可在LCD上顯示定位結果的功能，后面模擬測試環(huán)境將以7行7列的直拼板材料模擬墻壁等掩體，由于直拼板正面布滿大小相同的黑色格子，因此采用了如圖4所示的檢測電路。

在圖4當中，D1為發(fā)光二極管，D2為光敏二極管，R3為可調電阻，運放C1構成比較器，且C1的正相輸入電壓為U+，反相輸入電壓為U—。由于光在D1與D2之間是靠直拼板的板面反射后進行傳輸?shù)模敊z測電路在移動過程中遇到直拼板白色板面時，因光敏二極管D2接收到地板表面反射過來的光線而阻值下降，造成C1的反相輸入電壓為U—變小;此時如果U—＜U+，那么C1的輸出電壓OUT1將變?yōu)楦唠娖剑粗瓹1的輸出電壓OUT1將變?yōu)榈碗娖?。因此通過讀取運放C1的電壓數(shù)值即可判斷地板表面是否存在黑色跡線。通過改變R3的阻值可以調整C1的正相輸入電壓Up的基準值，進行調節(jié)檢測電路的靈敏度。

圖4 照明電纜檢測電路

照明線路探測儀在實際使用當中會在前端位置以并排方式設置6路此類檢測電路，dsPIC33FJ128GP802通過讀取檢測到的電壓即可判斷探測儀與黑色跡象之間的位置關系。當黑色跡象處于探測儀正中時，照明電纜的縱坐標數(shù)值加1，反之則照明電纜的縱坐標數(shù)值減1。當探測儀檢測到黑色跡象處于偏右方時，照明電纜的橫坐標數(shù)值加1，反之則照明電纜的橫坐標數(shù)值減1。檢測電路會實時根據(jù)黑色跡象的具體方位來調整縱橫向坐標值，從而實現(xiàn)電纜位置坐標的定位檢測。

2.5 聲光提示電路

當探測儀確定通電照明電纜位置坐標的同時會通過發(fā)光二極管和蜂鳴器進行聲光式的提示。如圖5所示，為了防止蜂鳴器工作磁場對電纜電流檢測的影響，指示電路中采用了光電耦合器［4］，將電信號轉換為光信號進行傳輸，保持電纜檢測結果的正確性。

圖5 聲光指示電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)在上電后首先進行自檢工作，緊接著進行dsPIC33FJ128GP802和LCD液晶顯示器的初始化工作;在掃描按鍵電路確認進入電纜檢測模式后，啟動電纜的電流檢測和位置檢測，并將檢測結果實時顯示在LCD液晶屏幕上。具體的系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 電纜位置坐標檢測子程序設計

在系統(tǒng)確認進入電纜坐標檢測模式后，立即進行電纜路徑的探測工作。系統(tǒng)實時不間斷地掃描照明電纜檢測電路與dsPIC33FJ128GP802相連的I/O口，如掃描到某個端口的信號值發(fā)生了變化，立即啟動相關的判斷程序，并對相關坐標值進行修正處理，之后將修正后的電纜位置坐標值進行存儲。具體的電纜位置坐標檢測子程序流程圖如圖7所示。

圖7 電纜位置坐標檢測子程序流程圖

4 測試結果和誤差分析

4.1 測試結果

圖8 模擬測試環(huán)境圖

由于正常情況下室內墻壁電纜的埋深一般在30毫米左右，因此測試中以30毫米厚度的直拼板模擬墻壁環(huán)境，探測儀在直拼板正面勻速進行掃描檢測。如圖8所示，直拼板背面分成7行7列共49個方格，并以圖釘側邊壓扣的方式布設兩根電纜，電纜一端連接市電220V電源，另一端連接燈座，并分別安裝功率為60W的白熾燈和功率為11W的節(jié)能燈。60W白熾燈的電纜類型選擇BV型電線，11W節(jié)能燈的電纜類型選擇BVR型電線，電纜長度各為3米左右。經(jīng)過20次的反復測試，可得測試準確率結果如下表1所示。

表1 測試準確率結果

4.2 誤差分析

由表1的測試結果我們可以看出，電纜類型的改變幾乎不影響測試的準確率;在60秒內探測儀以平穩(wěn)狀態(tài)(不抖動)對兩種長度約3米的電纜進行測試的結果是令人滿意的;而探測儀在平穩(wěn)狀態(tài)下以更快的速度(30秒內)進行探測，測試的準確率略有下降，但影響不大，說明測試速度對探測結果有影響，但不是較大的影響因素;在相同探測速度下，非平穩(wěn)狀態(tài)(有抖動)時獲得的探測準確率相對平穩(wěn)狀態(tài)下降較為明顯，說明探測通電電纜時操作人員手持探測儀的手部抖動所造成的不平穩(wěn)狀態(tài)會較大地影響測試的準確率。所以在使用本照明線路探測儀時應以適度的速度(小于50毫米/秒)和平穩(wěn)的狀態(tài)(無抖動)下勻速進行，可獲得令人滿意的探測結果。

5 結語

本照明線路探測儀以高速的數(shù)字信號處理器芯片dsPIC33FJ128GP802為控制核心，可利用非接觸式的電流檢測技術對墻壁等掩體內的照明線路進行快速而準確的定位探測，并具備LCD顯示電纜定位結果和聲光提示功能。經(jīng)過測試我們可以看出，本探測儀具有準確率高、操作簡單和檢測速度快等方面優(yōu)點，非常適合家庭使用，同時亦適合電氣技術人員進行線路故障的檢測，具有一定的推廣價值。經(jīng)過測試結果的深入分析我們發(fā)現(xiàn)，操作人員手持探測儀時的手部抖動是影響測試準確率的較大因素，因此探測儀的防抖動問題將是今后設備改進的重點研究方向。

［1］ 李剛，刑佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)的設計［J］.現(xiàn)代科學儀器，2010(1):43-46.

［2］ 汪嵐.基于STC12C5A602的照明線路探測儀設計［J］.延邊大學學報，2014(3):257-260.

［3］ 權曉紅.基于巨磁電阻的照明線路探測裝置［J］.自動化與儀器儀表，2014(2):66-69.

［4］ 李剛，刑佳，郝麗玲，等.非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)及其實驗和誤差分析［J］.電子產品世界，2012(1):43-46.