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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (4): 64-69  DOI: 10.11991/yykj.201612018
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引用本文  

刘德玉, 赵自鹏, 刘媛媛. 基于STM32的照明线路探测仪设计与实现[J]. 应用科技, 2017, 44(4), 64-69. DOI: 10.11991/yykj.201612018.
LIU Deyu, ZHAO Zipeng, LIU Yuanyuan. Design and implementation of lighting circuitdetector based on STM32[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(4), 64-69. DOI: 10.11991/yykj.201612018.

基金项目

湖南省教育厅科学研究项目(13C223);湖南工业职业技术学院科研课题(GYKYZ2013001)

通信作者

刘媛媛, E-mail:9815680@qq.com

作者简介

刘德玉(1982-), 男, 讲师

文章历史

收稿日期:2016-12-28
网络出版日期:2017-03-29
基于STM32的照明线路探测仪设计与实现
刘德玉, 赵自鹏, 刘媛媛    
湖南工业职业技术学院 电气工程系, 湖南 长沙 410208
摘要:为解决家庭照明线路检修过程中暗敷线路探测的难题,设计了一种以STM32单片机为核心的测量设备。该设备基于电磁耦合原理,能有序采集带电线缆的微小电磁信号,并根据信号的幅频特性,判断出电缆是否带电及其负载类型,检测完毕后进行墙体线路回放显示,并用WT588D语音芯片播报探测结果。经测试,本设备能精确探测带电电缆位置和负载类型,单点的平均测量时间低于7 s,一般线路的路径测量时间在70 s左右,测量速度快,工作稳定可靠。
关键词电磁耦合    幅频特性    负载类型    位置    回放    语音播报    探测仪    
Design and implementation of lighting circuitdetector based on STM32
LIU Deyu, ZHAO Zipeng, LIU Yuanyuan    
Department of Electrical Engineering, Hu'nan Industry Polytechnic, Changsha 410208, China
Abstract: This paper designs a measuring device based on STM32 microcontroller in order to solve the problem of the deep line detection in the process of home lighting line maintenance. Based on electromagnetic coupling principle, the device can orderly collect tiny electromagnetic signals from live cable, determine whether the cable is charged and the load type of the cable through analysis of frequency and amplitude characteristics of collected signals. After the detection is completed, the device will display wall lines playback, and announce the detection results through WT588D voice chip. After testing, the device can accurately detect the position and load type of live cable, average speed of a single point is less than 7s, general line path measurement speed is about 70s.The results showed that the device had fast measuring speed and high working reliability.
Key words: electromagnetic coupling    frequency and amplitude characteristic    load type    position    playback    voice broadcast    

在生产生活中,95%的照明线路都是暗敷设,如果出现需要查找线路或短路、断路等现象,就很难检测电缆线路路径或故障的具体地点。现有仪器缺乏对暗敷线路的检测功能,或检测精度不够,无法满足检测的要求。仪器的检测功能缺乏对线路负载的自动判断和线路走向的定位[1]。文中针对以上问题,以STM32为核心,电磁耦合为基础,设计了一套不同负载的照明线路探测仪器,在指定时间之内探测出照明电缆并记录坐标,或在指定区域内探测出不同供电负载的电缆,实现线路的走向检测和负载类型检测,并实现语言报警功能。

1 系统方案比较和论证 1.1 照明电缆的探测方案选择与论证

由于电缆位于5 mm的5合板背面,与探测仪没有直接接触,要想检测到带电电缆的电流特征,从磁场或者是电场这两个间接物理量分析以下几种方案。

方案一 根据电磁感应定律,电流的周围会形成磁场,并且磁场的大小和电流的大小成正比,因此只要能够检测出带电电缆周围的磁场特性,就可以间接得到电缆中电流的特性,从而实现通电电缆的识别。该方案的优点是可以使用感应线圈直接将磁场的变化转变为线圈中电流的变化,而电流信号的检测和感应线圈的制作都是相对比较容易的。该方案的缺点是由于带电电缆是火线和零线并行布线,两根线内的电流相等方向相反,感应出的磁场会有一大部分相互抵消,能够检测到的信号非常微弱,这就对信号的放大和去噪提出了比较高的要求[2]

方案二 原理和检测步骤同方案一,不同的是将检测磁场的器件由感应线圈换成霍尔传感器。霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应制作的半导体磁敏传感器。它的特点是从直流到高频,其特性完全一样,不受频率影响,因此利用该传感器不仅能够测量动磁场,也能够检测静止的磁场。其缺点是传感器价格较高[3]

方案三 根据库伦定律,电流中电子的周围会产生一个电场,该电场的各个点的电场强度也是随电流的变化而变化的。通过测量电场强度的变化特性,也可以间接得到电缆中电流的特性。该方案的优点是由于火线和零线的电场是相互叠加而不是相互抵消的,所以检测到的信号的能量比较大且不易受到外部环境的干扰[4]。该方案的缺点是测量电场强度传感器的制作工艺比较高,因此一般是专业厂家生产,采购成本较高且周期较长。

方案二中所需的传感器采购难度较大,且本项目组对方案一所要求的信号放大和去噪的模块设计较熟悉,综合考虑照明电缆的探测方案选择方案一。

1.2 坐标识别方案选择与论证

在厚木板的表面有7*7的方格组成区域,每一个方格拥有一个唯一的序号,系统使用该序号作为坐标来标示和记录该方格内是否有指定的照明线路。考虑到厚木板的方格仅仅是用边线分割出来的,没有其他的标志,所以最简单可靠的办法是将方格设计为白底黑边的形式,通过光电传感器检测手持探测仪是否越过了黑边,从而判断出坐标是否已经发生变化。

确定了坐标是否变化的检测方法后,接下来只要确定了手持检测仪的扫描路线,就可以对坐标的标号进线正确识别了。手持检测仪的扫描路线方案有两种, 如图 1所示。

图 1 手持检测仪扫描轨迹

方案一 不考虑待测电缆的位置,手持检测仪从标号1开始从左到右横向扫描,到方格7后向上一格,然后从右向左横向扫描,如此反复走S形路线直至到方格49离开,如图 1(a)所示。该方案的优点是坐标号可以通过越过黑边的次数得到;缺点是如果电缆所在方格数较少的话,大量的格子的检测工作是无意义的,浪费了时间。

方案二 手持检测仪从标号1开始从左到右横向扫描,当检测到电缆所在方格后,开始对该方格周边的3个方格作定向扫描,由于电缆是连续的,则必有一个方格能检测出电缆,然后再以该方格为基点检测相邻三个方格,如此循环,直至检测到边界为止,如图 1(b)所示。该方案的优点是检测线路和实际电缆的走线相同,不会去检测完全无关的区域,从而大大节省了时间;缺点是由于手持探测仪需要做许多次往复运动,不能仅凭借越过黑边次数来判断方格坐标号了,坐标判断方法比较复杂。

由于方案一中实测的电流检测的效果和速度都比较理想,2 min时间已经足够了,而方案二的路径检测的方法过于复杂且容错性不强,所以坐标识别的方案选择方案一。

1.3 系统总体方案

综合以上的分析,本设计的总体方案的框图如图 2所示。

图 2 系统总体框图

本设计首先使用感应线圈感应出带电电缆的电磁信号,通过运放电路对该信号进行放大,然后经过比较电路将电流信号转化为电流特征频率信号输出给控制芯片,控制芯片通过频率特征的检测来判断该电流信号是哪种灯的电流信号[5]

当手持检测仪移动时,光电传感器会检测方格边框的黑线,每经过一条黑线就能够确定方格坐标改变了一次,此时如果检测到有带电电缆的信号,则把黑线经过次数作为坐标记录下来,检测完后液晶显示结果,探测结束。

本设计采用STM32F103V8T6作为系统控制器,通过中断计时方式检测手持检测仪输出的频率特征信号,通过IO口的高低电平检测光电传感器发回的黑边框检测数据[6],同时,外围还扩展了键盘、LCD显示器和语音模块作为系统的人机交互模块,可以通过它们设置参数、显示信息和播放语音提示[7]

2 理论分析与计算 2.1 电缆特征信号检测

在电缆特征信号检测时,分别选取60 W的白炽灯和11 W的节能灯为照明负载,由于感应线圈中感应出的电流非常微小,叠加环境噪声后信号能量和幅值就几乎没有区别[8]。从2个灯的电流特征上考虑,白炽灯的内部结构是一个钨丝,等效为一个线性电阻,因此电缆中的电流是一个标准50 Hz正弦波,幅值与白炽灯的功率成正比,实际检测到的波形如图 3(a)所示。节能灯的内部是一个整流电路,等效的是一个非线性电阻,因此电缆中的电流除了50 Hz的基波信号以外,有丰富的谐波成份,实际检测到的波形如图 3(b)所示。由于2个电缆电流的频率特性有很大差异,所以可以从这个方向入手对两类导线进行识别。

图 3 白炽灯和节能灯的实测波形图

通过对两个波形的观察,发现白炽灯在去掉环境干扰后,电流持续的时间相对于工频周期是比较长的,而节能灯由于谐波的影响,去掉环境干扰后电流持续的时间非常短,如图 4所示。

图 4 频率特性波形

根据这个电流特征,我们可以不用进行复杂的频谱分析,而仅用一个比较器将电流持续时间检测出来,即可对两种电流进行识别[9]

已知工频电流的频率为50 Hz,则半周的时间T=1/50/2= 10 ms。令白炽灯经比较器输出的高脉冲时间为T1,节能灯经比较器输出的高脉冲时间为T2,实际测量的高脉冲时间为T0,则3个时间比值分别为T1>T2, T0(白炽灯)>T2>T0(节能灯)。以此可以准确判读是否带电和负载类型[10]

2.2 坐标识别

手持检测仪的移动方式是从方框1开始以S型方式移动,扫描整个木板上的方框。由于检测仪的路径和方格的标号是固定的,所以扫描过的黑色边框的总数和方框上的标号的对应关系也是固定的,因此可以通过记录扫描过的黑色边框的总数来记录坐标。

手持器的S型线路在从下往上的奇数行时,是按照方格标号的顺序来移动的。与之相对的,手持器在从下往上的偶数行时,是按照方格标号的逆序来移动。按照序或逆序的方式查找对应的余数即可得到。根据这个规律,可以先找到黑色边框的总数方格坐标,对应的行是奇数行还是偶数行,设扫描过的黑色边框的总数为D,则它除以7的除数为M, 余数为N。当M为偶数,则移动方向为正序,边框总数D即为方格序号;当M为奇数,则移动方向为负序,方格序号为边框总数D减去余数N

3 系统硬件电路设计 3.1 放大和频率特性比较电路

该设计需要从感应线圈中检测出电流并识别出电流特性,所以前级的信号放大是关键。如图 5所示,采用了2个OP07运放电路,将采样的电流信号放大了约1 000倍,以提供后级使用。为了准确识别白炽灯和节能灯的特性,电路设计了2个不同的通道对他们分别进行处理。在信号放大之后,电路设计了一路带高通滤波的比较器和一路不带高通滤波的比较器,高通滤波器的截止频率为200 Hz左右,滤掉了工频信号。当非高通滤波支路有脉冲输出,则检测到了白炽灯信号,当高通滤波支路有脉冲输出,则检测到节能灯信号。

图 5 放大和频率特性比较电路
3.2 方框边线检测电路

电路设计了2组光电对管对方框的边线进行检测。当发射管发射光波到白色纸面上时,光波被反射,接收管接收到光波,则二极管导通;当发射管发射光波到黑色纸面上时,光波被吸收,接收管接收不到光波,则二极管关断。所以可以用光电二极管的这个特性来识别手持器是否经过了方格黑色边框。使用两组光电管一起进行检测,可以提高黑线检测的可靠性。

3.3 语音播报电路

图 6,电路中设计了语音播报功能,可以自动播报电缆寻轨迹使用的时间,增加了测试的便利性[11-12]

图 6 语音播报电路
4 系统软件设计

系统程序采用C语言进入编程。软件部分主要实现信号采样、语音提示、键盘输入和液晶显示几个功能。系统总程序流程图如图 7所示。

图 7 系统总程序流程

其中信号使用STM32自带的定时器捕获功能采样,通过按键控制,用探测头去采样信号。探测完后,将采样的数据通过算法处理,在液晶上显示探测的结果,并用语音提示完成及总探测所用的时间。STM32自带有实时时钟(RTC),在程序里把RTC放入了系统主程序。考虑到系统功耗的问题,在菜单里面可以对液晶背光的时间进行设置。

5 系统测试 5.1 测试方案

使用照明线路探测仪的测试,方法有3种,分别是:1)2 min内检测出带电节能灯的电缆轨迹标号;2)2 min内检测出带电白炽灯和日光灯的电缆轨迹标号;3)2根电缆间隔不小于一个方格,检测时间在1 min内,分别检测出5个指定位置是否有60 W白炽灯和日光灯带电电缆。

5.2 节能灯轨迹检测测试

在室内环境温度25 ℃、相对湿度35%、1标准大气压的环境下,随机改接了电缆,总共测试了3次,测试的结果如表 1所示。测试结果表明检测仪识别无差错,线路某一处的测量单个测试识别速度在6 s,轨迹检测的3次测量平均时间为70 s,坐标记录正确。

表 1 节能灯轨迹检测测试
5.3 白炽灯和日光灯轨迹检测测试

在室内环境温度25 ℃、相对湿度35%、1标准大气压的环境下,我们随机改接了电缆,总共测试了3次,测试的结果如表 2所示。

表 2 白炽灯轨迹检测测试

测试结果表明检测仪识别无差错,单点测试识别平均速度在5.85 s,轨迹检测的3次测量平均时间为74 s,坐标记录正确。

5.4 指定位置电缆检测测试

在室内环境温度25℃、相对湿度35%、1标准大气压的环境下,分别对白织灯和日光灯两种负载做2组测试,每组测试随机改接了2根电缆(2根电缆间隔不小于一个方格)并随机指定了5个方框为测试点,每组总共测试了2次,测试的结果如表 34所示。

表 3 指定位置电缆轨迹检测测试1
表 4 指定位置电缆轨迹检测测试2

测试结果表明检测仪识别无差错,单点测试识别平均速度在6.85 s,坐标记录正确。

6 结论

通过对本系统的有序实证测试分析,此系统在隐蔽带电线路的检测工程中,具有如下优点:

1) 准确对白织灯和日光灯等负载类型进行有效区分。

2) 一个测试点的测量时长在7 s,对节能灯和白炽灯导线的路径检测时长在70 s左右,测量快速准确。

3) 电缆路径的记录、路径回放和语音播报功能,大大提高测试的工作效率和人机交互能力。

此系统对隐蔽线路的检测过程中,实现了对某一线路的负载类型测量、路径的测量与回放,与原有的普通测量工具相比较,大大减少了测量的时间与提高了测量精度,有效地解决了房屋线路改造过程中的工程测量时间过长与施工量大等问题。

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