基于STC12C5A602的照明线路探测仪设计

汪 岚

(黎明职业大学 机电工程与自动化学院，福建 泉州 362000)

随着照明设备种类的不断增加，照明电缆的数量也不断增加，这给电气工程技术人员对隐藏在物体表面下的照明电路进行定位和检测带来了诸多困难.如果能设计出一种在不拆卸物体情况下可对其下面的照明电缆进行检测的探测设备，便可以轻松地对电缆布线进行定位和故障诊断，从而节约时间和人力.针对这种情况，本文提出了一种基于STC12C5A602单片机[1]的照明线路探测仪的设计方案.

1 系统软硬件设计

照明线路探测仪主要由控制模块、电流感应传感器、前置信号处理模块、电缆检测及定位模块和LCD显示模块等构成.单片机控制模块选用的是宏晶科技公司生产的单时钟/机器周期(1T)的STC12C5A602单片机，其指令代码完全兼容传统8051单片机,但速度比传统8051单片机快8～12倍.该单片机内部集成了MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250 K/s),适用于强干扰场合，可满足本文系统的设计要求.

本文照明线路探测仪硬件设计框图如图1所示.由图1可看出：当系统工作时，传感器将感应到的电流信号转换为电动势，送入前置信号处理电路进行滤波和放大处理后再送入单片机中;当单片机检测到对应频率的电压信号时会进行声光提示，记录对应的电缆坐标等相关信息，并在LCD12864上显示其内容，实现照明电缆的定位；若在已确定的电缆路径上未检测到信号，则表明该电缆出现故障.

图1 照明线路探测仪硬件设计框图

1.1 电流感应模块

电缆正常工作时会产生电流，因此本设计实际上是通过对电流的检测来实现照明电缆的探测.由于本设计的前提是在不拆除物体，即在物体表面直接对照明电缆进行探测，因此采用的是非接触式[2]的电流检测方法.本文基于电磁感应原理[3]，依据文献[4]采用自制空心感应线圈作为电流感应传感器，这种方法可避免铁心出现饱和及磁滞现象，不要求待测物体穿过检测线圈，且具有灵敏度高、电路简单的优点.

照明电缆与感应线圈示意图如图2所示.感应线圈产生的感应电动势为

(1)

图2 感应线圈及测量电路

其中φ为线圈磁通，N为线圈匝数，B为磁感应强度，S为空心线圈截面积，A为电流强度幅值，ω为待测电流角频率，r为线圈中心距载流直导线的垂直距离.由(1)式可看出，当I0一定、感应线圈与照明电路位置固定时，线圈输出感应电动势的幅值与I0成正比，与线圈距电缆的距离成反比.本文的电流感应传感器[5]由线圈和塑料骨架组成，线圈匝数为200匝，漆包线直径为0.22 mm，线圈内径约为8.16 mm，外径约为14.27 mm.

1.2 前置信号处理模块

前置信号处理模块主要包括低通滤波电路和放大比较电路两部分，如图3所示.

图3 前置信号处理模块电路图

低通滤波电路是利用二阶无源带通滤波电路将照明电缆的工作频点滤波出来并传输出去,具有结构简单、无带宽限制、运行可靠和成本低等优点.假设照明电缆的工作频率为100 Hz，当R1=R2=1 kΩ，C1=C2=0.47 μF时,第一级低通滤波电路的中心频率f0≈100 Hz，从而实现100 Hz的滤波作用.

放大比较电路设计采用由三极管搭建的两级电流反馈式放大电路，该电路利用发射级电流IE在射级电阻RE上产生的压降UE来调节UBE.当集电极电流IC因温度升高而增大时，UE将使IB减小，IC增量减小，从而达到稳定静态工作点的作用.图3中两级放大电路都为分压式偏置放大电路，其电压放大倍数为

(2)

其中β1≈124，β2≈101，rbe1≈1.3 kΩ，rbe2≈1.1 kΩ.根据图3中放大电路的参数和(2)式可知，两级放大倍数Au≈18 000倍；但由于电路各部分存在耗损，因此实际放大电路的电压放大倍数约为12 000倍.本文在图3中还利用集成运放LM358搭建了电压比较电路，将传输信号整形成同频率的方波，实现模数转换后送入单片机进行处理.

1.3 电缆检测及定位模块

探测仪工作时需对照明电缆通过的区域坐标进行记录并显示，以此实现电缆布线的定位功能.该模块的测试环境是将五合板作为电缆覆盖物体，板上均匀分布9×9的黑色方格，照明电缆坐标检测采用自制电缆定位传感器.电缆定位传感器电路如图4所示，电缆坐标实物图如图5所示.

图4 电缆定位传感器电路

图5 电缆坐标实物图

由图4可知，当电缆定位传感器在五合板上移动时，由于所处板面黑白区域不同，定位传感器会输出高低不同的电平，单片机通过读取传感器的输出电压即可判别所处区域.可变电阻R3可调节输出电压基准值，用于改善定位传感器的探测灵敏度.在实际检测中，可以在探测仪前端并排放置如图4所示的5路定位传感器，单片机通过读取5路探头的电压值就能准确地判定探测仪和黑色迹线的位置关系.当迹线位于探测仪中间位置时，电缆纵轴坐标为+1，反之为-1.当迹线位于探测仪偏右方向时，电缆横轴坐标为+1，反之为-1.按此方式,探测仪坐标随时根据黑色迹线的方向调整自身数值，最终实现电缆坐标检测功能.

1.4 系统主程序设计

照明线路探测仪接通电源后，STC12C5A602单片机各寄存器、端口先进行初始化，然后液晶显示屏12864再进行初始化，当探测仪电路工作在预定的照明检测模式时，启动电流检测、照明电路坐标检测，并驱动LCD显示相关内容.

系统软件主程序流程如图6所示.图6中，当系统进入照明电缆检测模式后，即开始不停地扫描于循迹探测器连接的单片机I/O端口，一旦检测到某个I/O端口有信号变化，即执行相应的判断处理程序，并将相应的信号信息记录下来.

图6 系统主程序流程图

2 探测仪测试效果及数据分析

为了验证探测仪的准确性能和灵敏性能，本文从检测距离和检测速度两个方面来检测.基本测试条件为：选取的电缆为带护套双绝缘的双芯并列聚氯乙烯软电缆，规格为2×0.5 mm2，每根电缆的长度不小于2.5 m.每种测试条件各检测10次,检测结果如表1所示.电缆坐标检测显示效果如图7所示，由图7可以看出，当前检测的照明电缆为一白炽灯，检测的坐标数据为(02,09)，如再次移动可获得电缆的下一组坐标数据.

表1 照明线路探测仪测试数据的准确率

由表1和图7可看出，本文设计的照明线路探测仪其测试结果都保持在探测仪能够接受的范围内,且检测结果清晰明了，由此说明该探测仪具有较高的准确性和实用性.

图7 电缆坐标检测显示效果图

3 结论

本文以STC12C5A602为控制核心，基于电流非接触式检测技术，结合液晶屏和声光报警等功能，设计了一款照明线路探测仪.在不拆除照明电缆覆盖物的条件下，探测仪可对照明电缆进行检测及布线定位，并通过声光效果提示和坐标显示提供给检测人员.测试表明，该探测仪具有携带方便、操作简单的优点，有较好的实用价值.本文在测试数据时发现，当电缆覆盖物厚度超过10 mm时，探测仪的测试精度会有所下降，这一问题将是下一步的研究内容.

参考文献：

[1]刘红丽.非接触式泄漏电流的智能在线监测系统[J].武汉交通科技大学学报,2000,24(3):250-253.

[2]赵彪,陈希有,于庆光.用于非接触电能传输的自适应谐振技术原理[J].电工电能新技术,2010,29(2):33-37.

[3]李刚，刑佳.一种非接触式高精度AC电流检测系统的设计[J].现代科学仪器，2010(1)：43-46.

[4]张华伟，孙越强.几种非侵入式电流测量技术[J].测控技术，2005(21)：80-83.

[5]李刚，刑佳,郝丽玲,等.非接触式高精度AC电流检测系统及其实验和误差分析[J].电子产品世界，2012(1)：43-46.