簡易照明線路故障檢測系統設計

楊花雨,申俊星

(1．商丘工學院 信息與電子工程學院,河南 商丘 476000; 2.商丘職業技術學院 機電系,河南 商丘476000)

由于人們對室內裝飾審美的要求，現代社會照明線路多以暗線為主. 隨著時間的推移，線路老化帶來的斷線故障給維修人員帶來了很大的困難.本論文利用三種方法對線路進行探測：一是利用電流周圍有磁場的原理，采用磁頭檢測帶電電纜，坐標識別采過去用紅外傳感器進行識別，回放顯示電纜位置采用微處理器進行程序控制.二是利用磁棒檢測帶電電纜，采用光敏電阻進行坐標識別，回放顯示帶電電纜位置采用微處理器進行程序控制.三是采用帶磁芯的線圈檢測帶電電纜，采用光敏電阻進行坐標識別，回放顯示帶電電纜位置采用微處理器進行程序控制[1]33-37.經過多次分析測試，磁頭和磁棒雖都能完成任務但靈敏性較差，帶磁芯的線圈靈敏度較高，故選擇第三種方案來進行設計，如圖1所示.

1 理論分析與計算

1.1 照明線路探測傳感器分析

圖1 照明線路故障檢測系統

根據電磁效應原理，選擇磁電傳感器檢測照明線路.常見的磁電傳感器有霍爾傳感器、干簧管傳感器，經過多次試驗測試，霍爾傳感器近距離檢測沒有問題，但隔五合板之后檢測不到，霍爾傳感器滿足不了設計要求.干簧管傳感器原理上也可以檢測照明線路，但干簧管如果安裝，放置是個問題，經過檢測信號也很微弱，隔五合板靈敏度很差.在霍爾傳感器和干簧管傳感器不能滿足設計要求的前提下，想到了磁頭和磁棒來檢測，效果還不錯，但磁頭和磁棒容易自激，而且不能明顯區別出11W節能和60W白熾燈.最后想到了線圈和鐵芯，將電子鎮流器中的線圈和鐵芯拆下，進行調試，最初靈敏度較低，專門設計電路，通過NE5532兩級放大進行檢測，NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器(雙運放)集成電路.與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優良的輸出驅動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點.經過多次調試，靈敏度很強，故選擇電感線圈和鐵芯適當組合來檢測照明通電線路[2]157-158.

1.2 照明線路坐標識別傳感器

當探測頭檢測到照明線路之后，要能夠記憶并回放照明線路的坐標.關于坐標識別最初在五合板的49個坐標點鉆孔，采用光電對管來進行檢測，由于光電對管的散光性，容易造成誤識別的問題，故放棄了光電傳感器.受到光敏電阻對光敏感的啟發，將探測頭安裝一個發光二極管，在49個方格中心鉆孔來進行檢測，并結合回放電路，在五合板的背面采用行列矩陣式安裝排線，經過多次試驗分析，效果明顯，故采用光敏電阻來進行通電線路坐標識別.

1.3 坐標的識別

電纜一端與 220V 交流電源插座相連；另一端連接著大螺口(E27)燈座，并分別擰入 60W 白熾燈和 11W 節能燈，各燈的亮滅由開關控制.兩根電纜以圖釘側邊壓扣或膠帶粘貼的方式布設，布線可在 7×7 方格組成的區域內根據需要任意調整.(1)關閉 60W 白熾燈和 11W 節能燈，將節能燈的電纜按要求布設完畢后，將其點亮，手持探測儀在板正面掃描帶電電纜的走向，探測到帶電電纜時予以蜂鳴示意[3]327-329.(2)關閉 11W 節能燈，點亮白熾燈，仿照上述基本要求完成對白熾燈電纜走向的探測任務.(3)先關閉兩盞燈，改變 2 根電纜的布設，并使其間隔不小于一個方格，然后再點亮兩燈.要求探測儀能在 1 min內準確探測出 5 個指定位置是否有 60W 白熾燈帶電電纜.(4)先關閉兩盞燈，改變 2 根電纜的布設，并使其局部間隔小于一個方格，然后再點亮兩燈.要求探測儀能在 2 min內準確探測出 5 個指定位置是否有 60W 白熾燈帶電電纜，分別計算出LED燈的電纜走線方式和各線路.對光敏電阻的篩選與測試，初始光敏電阻陣列數據由于在相同條件下阻值的最大值與最小值間的差值將近1k 故而感覺誤差值將會超出范圍內，后又逐一排查與更換，使得所有光敏電阻的阻值都控制在1.5 K～2 K之間使得誤差控制在合理范圍之內，實驗結果更顯合理與真實，其最終光敏電阻阻值數據(在相同光照條件下)如表1所示.

表1 最終確定的電阻阻值表

2 電路的設計

根據設計要求，電路包括探測頭檢測電路、探測儀顯示電路、帶電電纜位置回放電路、電源電路組成.

2.1 探測頭檢測電路

由于電流周圍有磁場，照明線路的檢測就是基于此原理來實現的.由于11W節能燈和60W白熾燈周圍磁場不同，對于不同磁場的檢測，經過試驗分析采用帶鐵芯的電磁線圈為檢測頭.由于檢測頭信號微弱，故采用NE5532兩級放大.對于鑒別不同的照明線路，采用兩個555反相器及周圍電路來區分.本電路使用NE5532運算放大器和NE555計時IC組成的(如圖2)，NE5532是一種雙運放高性能低噪運算放大器，NE555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數的電阻和電容，便可產生數位電路所需的各種不同頻率的脈沖信號[4]371-373.

圖2 探測頭檢測電路

2.2 探測儀顯示電路

由于60W白熾燈電流為交流50HZ，而11W節能燈電流為交流3000HZ，探測不同的線路，需要鑒別所檢測的照明線路的類型.為了完成本設計要求，采用兩個4位數碼管顯示，左側數碼管顯示燈名、方格號，燈名和方格號之間通過“—”鏈接，共四位.右側數碼管顯示檢測照明線路所用的總時間(幾分幾秒)，共四位.數碼管的控制是通過單片機89C52來控制的，驅動電路采用9015三極管來實現(如圖3所示).

圖3 探測儀顯示電路

2.3 帶電電纜位置回放電路

為了實時地顯示所檢測過的照明線路，需要對帶電電纜位置進行回放.回放電路采用光敏電路進行行列矩陣檢測，將檢測信號傳送單片機進行處理，單片機處理后的信號通過點陣回放顯示.有照明線路，對應的矩陣的方格點亮，沒有照明線路，對應的矩陣方格不點亮.矩陣方格上所點亮的點就是所檢測到照明線路，對檢測的照明線路進行實時的回放[5]6-9.

2.4 電源電路

電源由變壓部分、濾波部分、穩壓部分組成.為整個系統提供±5V或者±12V電壓，確保電路的正常穩定工作.這部分電路比較簡單，均采用三端78系列和79系列穩壓管實現，故不作詳述.

3 程序功能描述及測試結果

3.1 程序功能描述

根據功能要求，軟件部分主要實現鍵盤的設置和顯示.

鍵盤實現功能：設置頻率值、頻段、電壓值以及設置輸出信號類型.

顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進值、信號類型、頻率.

3.2 測試結果及分析

根據設計要求，每種數據采集采取探測方格中心，根據聲光報警情況確定是否采集成功，每種情況分別采集七組數據.自制五合板，五合板正反面畫出7*7方格且兩面精準對應；五合板背面布設帶護套雙絕緣的雙芯并列聚錄乙烯軟電纜；五合板上安裝燈、開關、220V交流電源插座.測試儀器包括萬用表、示波器、穩壓電源、探測儀.測試結果如表2所示.根據測試結果，滿足所有指標要求.

4 結論

經過多次試驗，在合理誤差范圍內，手持探測儀能夠在較為準確的情況下在板正面掃描帶電電纜的走向，并探測到帶電電纜時予以蜂鳴示意，再經由信號輸出在數碼管及陣列上顯示其電纜軌跡走向，在合理誤差范圍內達到題目要求.本探測儀結構完整、功能完善、工作可靠，操作簡單、直觀，符合設計和應用要求.

表2 照明線路故障探測系統測試結果

[1] 楊 欣.實例解讀電子元器件與電路設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2] 胡 斌.集成電路識圖輕松入門[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3] 藤井信生.電子實用手冊[M].北京：科學出版社，2001.

[4] 康華光.電子技術基礎數字部分[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5] 韓廣興.電子元器件與實用電路基礎[M].北京：電子工業出版社，2004.