基于雙單片機的簡易照明線路探測儀

南寧學院機電與質量技術工程學院　呂德深　梁承權

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基于雙單片機的簡易照明線路探測儀

南寧學院機電與質量技術工程學院呂德深梁承權

【摘要】針對暗敷設照明電線電纜探測難題，文中提出了一種照明線路探測方案。一方面利用ATmega16單片機對放大的諧波信號采樣，并進行傅立葉變換，得到探測儀所在位置是否存在帶電電纜和電纜所接負載類型；另一方面利用STC15F2K60S2單片機控制超聲波模塊測距、計算探測儀所處坐標，并將坐標顯示于LCD12864液晶，最后給出相應的聲光指示。結果表明，系統能夠準確探測出照明線路所在位置，結構完整，操作簡單。

【關鍵詞】照明線路探測儀；ATmega16；STC15F2K60S2；傅立葉變換；坐標定位；聲光指示

0　引言

隨著社會的發展，人們的生活水平日漸提高，對美的追求也越來越嚴苛。目前，不論是在家庭裝修設計中，還是在工農業生產中，為了美觀，一些線路和管道往往被暗敷設于地下或墻體中，但出現問題時，單憑肉眼很難找到它們的準確位置，有時甚至會因為位置確定有誤，導致整面墻體盡毀。為解決這個問題，避免多處挖墻體的尷尬，本文設計了一個基于雙單片機的簡易照明線路探測儀，該探測儀能探測出墻壁中白熾燈和節能燈線路的位置，這對生活照明線路出現故障時線路的搶修或施工時地下、墻體里線路位置的確定都有一定的實際應用價值。

1　系統總體方案設計

本文設計的雙單片機簡易照明線路探測儀由Atmega16-STC15F2K60S2雙單片機電路[1]、信號檢測與放大電路、坐標定位電路、顯示及聲光指示電路等組成，其系統總體設計框架如圖1所示。

圖1　系統總體結構框架圖

探測儀線圈感應到帶電電纜周圍的諧波信號后，經放大濾波電路后，Atmega16單片機利用內部ADC進行諧波信號采樣，經傅里葉變換得到各次諧波的幅度和相位[2-3]。Atmega16單片機把各次諧波信號進行比對分析，判斷探測儀所在位置是否存在通電電纜以及確定電纜所接負載類型，然后將該信息以串行方式傳輸到STC15F2K60S2單片機，以進一步處理。STC15F2K60S2單片機一方面顯示接收Atmega16單片機傳輸過來的信息，并給出聲光指示；另一方面利用超聲波測距的方法檢測探測儀所在位置。

2　系統硬件電路設計

2.1雙單片機電路設計

系統要進行傅里葉變換，對單片機的RAM及運行速度要求較高，普通12T機器周期的8051單片機已經不能滿足運算的要求，因而采用速度較高的Atmega16單片機。若系統直接采用Atmega16單片機進行坐標識別、位置顯示、聲光指示等將大大降低了系統的運算速度，故將信號進行傅里葉變化后把結果發送給STC15F2K60S2單片機進行下一步的處理，以減輕Atmega16單片機的運行負擔，提高系統運行速度，這樣，系統組成了Atmega16-STC15F2K60S2雙單片機控制結構，其電路如圖2所示。

圖2　雙單片機控制電路

圖3　信號處理電路

2.2諧波信號檢測電路設計

帶電電纜周圍的諧波非常微弱，系統需要將諧波放大、濾波后再送入Atmega16單片機ADC端口進行檢測。該放大濾波電路主要由感應線圈、差分放大電路、一階濾波電路組成，其電路如圖3所示。線圈感應諧波信號后，經U5A、U5B、U5C組成的差分式放大器后，再經過一階低通濾波電路后送入單片機內部ADC。

2.3坐標定位電路設計

為精確測量探測儀所在位置，系統采用超聲波測距的方法進行定位[4]，原理如圖4所示。在探測儀安裝向左和向上的兩對超聲波發射與接收模塊，當探測儀移動時，STC15F2K60S2單片機發送40KHz的方波，經圖5發射電路，最終以超聲波的形式發射出去。經時間t1后，圖6電路接收到從擋板或障礙物反射的超聲波信號，此時探測儀到左擋板或障礙物的距離為：

式(1)中，v0為超聲波在空氣中的傳播速度，v0取=344m/s[5]。

由圖4可知探測儀所處位置的坐標(x，y)：

式(3)、(4)中a、b分別為方格左邊沿、上邊沿到擋板或障礙物的距離。因此，由(1)～(4)可知：

圖4　坐標定位示意圖

圖5　發射電路

圖6　接收電路

2.4顯示及聲光指示電路設計

為了直觀地顯示探測儀所在位置帶電電纜存在與否、電纜所接負載類型、帶電電纜坐標信息，建立友好的人機交互界面，系統采用帶字庫的LCD12864液晶進行直觀顯示相關信息。該液晶支持串行和并行讀寫模式，且在串行模式下只需兩個IO口即可驅動顯示屏顯示，接口簡單、使用方便。

探測儀檢測到帶電電纜時進行聲光指示，LED發光，蜂鳴器嘀嘀嘀響。系統使用單片機的P27為低電平時發出聲光指示，高電平時聲光指示關閉。

3　系統軟件設計

3.1系統流程圖

該照明線路探測儀的軟件設計主要包括了ADC轉換子程序、傅里葉變換子程序、串行通信子程序、超聲波測距程序、坐標計算子程序、顯示報警子程序等。系統流程圖如圖7所示。Atmega16一開始進入初始化程序，包括傅里葉變化所需的各個存儲器初始化、ADC寄存器初始化、UART寄存器初始化等。接著ADC采集256個數據，再經過傅里葉變換得到相應諧波的幅值，單片機根據幅值判斷此時是否存在帶電電纜和電纜所接負載類型。最后將判斷結果通過SBUF寄存器發送出去。

另一方面，STC15F2K60S2單片機上電后首先進入串行接收中斷初始化、LCD12864初始化、外部中斷與定時器中斷初始化、單片機IO口初始化等。接著發送40KHz的方波，單片機等待外部中斷或定時器中斷的發生。若單片機發生定時器中斷，說明超聲波接收超時，此時定時器數據無效；若單片機接收回波的IO口P3.2發生外部中斷，此時單片機讀取定時器寄存器TH0、TL0的值，即可得到(5)式中的t1，并根據(5)式計算出到左擋板或障礙物的距離x。同樣的方法得到探測儀到上擋板或障礙物的距離y。接著，STC15F2K60S2單片機讀取串行接收寄存器SUBF的值，并根據其值發出相應聲光指示。最后，探測儀將位置、是否有帶電電纜、電纜所接類型一并顯示于液晶界面。

圖7　系統軟件流程圖

3.2傅里葉變換應用

根據傅里葉展開級數，可得到N次諧波[6-7]：

(7)式中a0是直流分量，即一個周期內的平均值。an和bn為傅里葉級數的系數，它們是n次諧波的直流分量，對應的n次諧波的幅度An為：

其中，an和bn分別是傅里葉變換后的實部和虛部。由此就可求出各次諧波的幅度[8]。

電纜中有電流通過時，周圍存在一定的電磁場，其強度與波形、電流有關。通過測量電線周圍的電磁場，即可知道通過導線電流的情況。日光燈與白熾燈，內部構造不同，其周圍電磁場不同，故線圈感應到的電壓也不同。日光燈是純阻性負載，Atmega16的ADC采集電壓進行傅里葉變換，其頻譜結果中只有50Hz的信號。節能燈則不同，內部含感性、容性等非線性電子元件，這些電子元件使其電流發生畸形，產生了大量的諧波，故線圈感應到的電壓也含大量的諧波信號。系統通過比對基波、多次諧波的幅值，即可區別電纜是否通電和電纜所接負載類型。

Atmega16采樣得到的數字信號，就可以進行傅里葉變換。為了方便進行傅里葉運算，系統采樣點數取256點，采樣頻率為512Hz。系統采用蝶形運算傅里葉變換，其流程圖如圖8所示。

圖8　傅里葉變換流程圖

3.3實驗數據處理

通過實際數據測量，白熾燈電壓傅里葉變換結果如圖9所示，節能燈電壓傅里葉變換結果如圖10所示。

圖9　白熾燈傅里葉變換圖

圖10　節能燈傅里葉變換圖

為了使實驗結果更準確，系統對白熾燈和節能燈的基波、二次諧波、三次諧波進行多次測量并采用遞推中位值平均濾波法[9]進行數據定標。若基波幅度大于2.88V且小于等于3.56V，且二次諧波、三次諧波幅度小于0.65V認為探測儀位置存在白熾燈電纜；若滿足基波幅度大于2.88V且小于等于3.56V，且二次諧波、三次諧波幅度大于等于0.65V認為探測儀位置存在節能燈電纜；若基波幅度大于3.81V且小于等于4.72V，認為探測儀位置存在白熾燈和節能燈電纜。

4　結束語

本文設計的基于ATmega16和STC15F2K60S2結合的雙單片機照明線路探測儀，在單獨點亮節能燈，該探測儀在兩分鐘內能完成節能燈電纜的檢測，方格內若存在帶電電纜系統則給出相應的聲光指示，并最終將節能燈電纜所在位置通過液晶回放顯示。在單獨點亮白熾燈和兩燈一起點亮的兩種情況下，探測儀能夠識別所在方格是否存在白熾燈電纜，若存在則將位置通過液晶回放顯示。將這一應用于線槽或墻內暗線斷點檢測，能很好地避免目前市場上探測儀探測位置不準確或因不知道電纜斷處而大面積挖墻的尷尬，有一定的市場前景。

參考文獻

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呂德深（1987—），女，廣西玉林人，碩士，助理工程師，研究方向：智能儀器與系統、無線電能傳輸研究、電子技術應用。

梁承權（1985—），男，廣西貴港人，碩士，工程師，研究方向：智能家居研究、電源技術研究。

作者簡介：

課題來源：南寧學院科研項目（2016XJJG22）。