基于stc单片机市电暗电缆线路径探测仪设计

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1、基于STC单片机市电暗电缆线路径探测仪设摘要：利用STC12C5A60S2微处理器、电流互感器等器件，设计了一款市电暗电缆路径探测仪，详细介绍了电缆线探测原理和系统软硬件设计方法。实验结果显示，该探测仪能对墙内带电电缆线进行精确路径查找和鉴别，对于2000W功率以内的负载，测量误差小于±5cm。该探测仪集成度高、体积小、可靠性高，可作为电缆施工和维护设备。关键词：STC12C5A60S2；电流互感器；探测仪；探测误差中图分类号：TN916.83?34文献标识码：A文章编号:10047373X(2014)02?0120?040引言随着商业大厦

2、、商品房等建筑的室内装修越来越精致，布置暗电缆线越来越流行，同时这种布电缆线方式给用户日后电缆改装、维护带来诸多不便，如：需要在墙上打孔安装装饰品时，但不能确定打孔处是否有暗线；电工检修电线线路时，需要准确定位电线路径等等场景。因此，研发一款市电暗电缆路径探测仪很有必要，该探测仪集成度高，稳定性好，为电缆线改装和维护工作提供了方便，具有广阔的应用前景。1暗电缆线路径探测原理根据电磁感应原理，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路就有电流产生［1］。一般墙内暗线包括零线（N）和火线（L）,它们是在同一线盒中平行放置的，且电流方向是相反的，

3、生产磁场模型如图1所示，零线和火线之间的磁场被相互抵消、衰减（图中用虚线表示），只有零线和火线的外侧存在较强的磁场（图中用实线表示），探测仪主要检测零线或火线的外侧部分的磁场。由于零线和火线通过交变的电流，所以在这两根线周围会产生交变的磁场，若它们周围有闭合电路，即可产生感应电流，本文根据这种电磁感应现象来设计探测仪的探头。探头采用2个U型导磁铁芯做成正交的电流互感器，在每个U型导磁铁芯上绕2500匝漆包线，探头的正切面如图2所示。当零线或火线与x方向平行且靠近它时，第2组电流互感器将能检查到较强的磁场，而此时第1组电流互感器刚好与零线或火

4、线正交，比较难检测到磁场；当零线或火线与y方向平行且靠近它时，结果与前者刚好相反。这样设计探头目的是为增强探测仪的灵敏性，避免某一组电流互感器刚好与零线或火线正交时丢失数据［2］。2硬件电路设计探测仪主要由STC12C5A60S2微处理器、2个正交的电流互感器探测头、信号采集及调理电路、信号告警电路、系统电源等电路模块组成，系统硬件电路框图如图3所示。2.1控制核心及外围电路STC12C5A60S2微处理器是宏晶公司生产的一款增强型8051内核单片机，内部具有8路高速10位ADC,2个USART（支持SPI.I2C总线接口）[3],不需要外

5、部A/D转换芯片就可以直接实现多路信号采集，本设计中主要利用了STC12C5A60S2微处理器的片内2路ADC采集电流互感器输出的信号，被测量信号分别从单片机的P1.0和P1.1端口输入。2.2信号采集及调理电路系统有2个正交的电流互感器探测头，这2个探测头采集入信号调理电路基本相同，本设计以其中一个电流互感器探测头的信号采集及调理电路为例，电路如图4所示。由于探测仪是手持设备，整个系统采用单电源工作，采用TL431作为2.5V基准电压输出，把探测头输出的信号整体抬高2.5V,转换成变化的直流信号[4]；为了提高变化范围及精度，本设计对电流

6、互感器输出信号进行了差分放大，然后再通过电容进行隔直流，再进行第二次放大，最后送到单片机内进行A/D转换。采用示波器监测“信号采集及调理电路”的输出波形，以60W白炽灯作为电阻型负载，11W节能灯作为开关型负载进行实验。实验结果：本电路探测出60W白炽灯电缆上产生的感应交流电流波形，如图5所示；本电路探测出11W节能灯电缆上产生的感应交流电流波形，如图6所示。市电的大部分负载可以分类为电阻型和开关型，电阻型负载的电缆线上不存在电流谐波分量，从而在电流互感器上产生感应电流也无谐波分量，电流波形比较光滑；而开关型负载的电缆线上存在电流谐波分量，

7、从而在电流互感器上产生感应电流就有谐波分量，电流波形上有很多毛刺和尖脉冲。当负载功率越大，“信号采集及调理电路”输出的波形峰峰值就越大。3软件设计单片机程序设计的主要任务是对“信号采集及调理电路”输出信号进行A/D采样，经过算法程序判定是否探测到带电暗电缆线，并发出告警信号。单片机A/D引脚输入信号值的理想范围为0〜5V,但实际上由于LM324运放的自身缺陷，导致输入信号值的实际范围为1.5〜3.5V,超出该范围信号会失真；单片机内部的ADC进行A/D转换的分辨率［5］是：5V/1023。初始化定时器1,使其工作在自动装载模式下，以20ms

8、为一个周期，在一个周期内同时对两路''信号采集及调理电路”输出信号进行A/D采样。每路采样程序都设置阈值和高于阈值计数器两个寄存器，在每个周期内，单片机不停地采样，每次采样的实时