基于LDC1000电感数字传感器的墙体电线位置测量仪设计

张泽华，王晓蕾，张雷雷

（1.辽宁石油化工大学 辽宁 抚顺 113001；2.抚顺石化工程建设有限公司 辽宁 抚顺 113006）

一般工程中，当建筑实体建好后，很多基础设施就随之而完成。其中，包括用户用电线路铺设。而在二次装修或做弱电线路二次铺设时，需要避开墙体中220 V电线。多数二次施工过程铺设线路时，均靠工人师傅的经验完成。还有，老旧建筑物电线故障查询时，也需要进行墙体电线探测[1-6]。文中基于以上需求，研制简易轻便的墙体电线测量仪。2013年，我们制作一台三合板背面电线探测仪，当时使用是漆包线缠绕而成的笨重大电感完成的检测，虽能完成检测，但仪器很笨拙。而当2013年TI公司发布了首款电感数字转换器LDC系列，这样墙体电线位置测量问题就迎刃而解。本测量系统由STM32F107作为主控，LDC1000作为测量传感器完成对墙体电线位置检测。

1 系统设计方案

该墙体电线测量仪主要由3部分构成。第一部分：STM32F107单片机的数据采集与处理单元。STM内核为Cortex-M3，在最大程度减少了代码占用空间，其体积小巧、能耗低，工作温度范围为-40°C到 85°C（或高至 105°C），完全满足了设计需要。选用SPI接口与LDC1000电感数字传感器相连接；第二部分：LDC电感数字传感器电路。LDC1000可以完成水平或垂直距离检测，角度检测，位移监测，振动检测等。利用外接一个PCB线圈即可完成非接触式电感检测。LDC1000并不像Q表那样测试线圈的电感量，而是可以测试外部金属物体及其空间位置；采用四线SPI连接方式。第三部分：LCD12864显示单元。仪器初始化显示和检测结果显示。系统方案框图如图1所示。

2 系统硬件设计

图1 系统设计方案Fig.1 System design block diagram

墙体电线便携式检测仪工作的核心是正确检测到电线的位置所在，本系统的主要设计工作在于LDC电感数字传感器的设计。用STM32F107的SPI口与LDC1000相连，完成金属位置的检测。具体连接如图2所示。

图2 单片机与LDC1000电路连接图Fig.2 LDC 1000 circuit connection diagram

在图2中，由锂电池供应+5 V电压，直接向LDC1000供+5 V电压，经TPS78633向STM32F107和LDC1000供应+3.3 V电压。采用STM32F107的SPI1与LDC相连，实现对 LDC1000的控制。单片机的 SPI1_MOSI、SPI1_MISO与LDC1000的数据输出SDO、数据输入SDI进行数据交互，完成测量。单片机的SPI1_SCK提供LDC需要的时钟信号。PD0与LDC1000的CSB相连，作为从设备使能端口。PA0与INTB相连，作为中断输入接口。TM2_CH2与LDC1000的TBCLK相连，作为频率计数。LDC1000实际连接图如图3所示。

图3 LDC1000实际连接图Fig.3 LDC 1000 actual connection diagram

在图3中，LDC1000的INA和INB管脚连接PCB自制的线圈L1。PCB线圈直径为15 mm，线圈数为25圈，线圈的线宽为4 mil，线线之间的距离为4 mil。示意图如图4所示。LDC1000电感检测原理是基于电磁感应原理。在PCB线圈中加一个交流电流，线圈周围就好产生交变电磁场，这时如果金属导线进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流。涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属导线的距离的函数，基于此就可以检测到墙体中的导线位置 （一般导线放于塑料管中，且覆盖较浅）。具体如图4所示。

图4 金属距离测量示意图Fig.4 Schematic diagram of metal distance measurement

交变电场如果仅仅加在电感上，则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这是，将一个电容并联在电感上，由于LC的并联谐振作用能量损耗大大减小，只会损耗在LDC1000内部 Rs和 R（d）上，等效电路如图 5所示，可以看出检测到R（d）的损耗就可以间接的检测到金属导线的距离d，即可以检测到导线的具体埋藏位置。

图5 LC等效电路图Fig.5 LC equivalent circuit diagram

3 系统软件设计

合理设置LDC1000的RpMAX和RpMIN寄存器的值，让Rp的实际值落在测量范围内，又保证足够的精度。可以通过实际测量的方法在极限的条件下测出Rp等效的最大值和最小值。将金属物体放在离线圈最近的位置，此时涡流损坏最大，得到Rp的最大值。将金属物体放在离线圈最远的有效距离，此时涡流最小，得到Rp的最小值。同时得到金属物体距离与电阻变化的曲线图如图6所示。

图6 距离d与电阻变化之间的关系Fig.6 The relationship between the distance d and resistance change

实际软件流程图如图6所示。其中是否测量和是否记录过程由按键完成。

图7 系统软件流程图Fig.7 System software flow chart

4 实验验证

将测量系统进行封装，沿建筑墙体进行实验操作。LCD液晶屏幕可以显示墙体电线布置方向，如水平或竖直方向，整个操作过程均是通过按键来完成。图8为LDC-墙体测试仪封装前图片，主要给出了显示和按键。按键采用4×4阵列按键，主要完成测试仪启动和测量记录功能。

图8 LDC-墙体测试仪Fig.8 LDC-wall tester

LCD12864显示内容含义：LDC-墙体测试仪，表示测试仪正常运行；测量，表示由按键已经启动测量仪；“|”表示竖直方向墙体有线缆；“-”表示水平方向有线缆。记录均由按键完成。LCD12864具体显示如图9所示。经实验验证，LDC-墙体测量仪测量正确率为100%。

图9 LDC-墙体测试仪显示Fig.9 LDC-wall test instrument display

5 结束语

文中给出了一种测量墙体金属导线的新方法，给出了具体的测量方案，并从硬件和软件两个方面比较详细地介绍了该由新型电感数字传感器LDC1000测量仪设计开发过程及相关技术特点。通过设计检测，该测量方法完全可以检测墙体电缆线的具体位置。

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