基于双单片机的简易照明线路探测仪

南宁学院机电与质量技术工程学院　吕德深　梁承权



基于双单片机的简易照明线路探测仪

南宁学院机电与质量技术工程学院吕德深梁承权

【摘要】针对暗敷设照明电线电缆探测难题，文中提出了一种照明线路探测方案。一方面利用ATmega16单片机对放大的谐波信号采样，并进行傅立叶变换，得到探测仪所在位置是否存在带电电缆和电缆所接负载类型；另一方面利用STC15F2K60S2单片机控制超声波模块测距、计算探测仪所处坐标，并将坐标显示于LCD12864液晶，最后给出相应的声光指示。结果表明，系统能够准确探测出照明线路所在位置，结构完整，操作简单。

【关键词】照明线路探测仪；ATmega16；STC15F2K60S2；傅立叶变换；坐标定位；声光指示

0　引言

随着社会的发展，人们的生活水平日渐提高，对美的追求也越来越严苛。目前，不论是在家庭装修设计中，还是在工农业生产中，为了美观，一些线路和管道往往被暗敷设于地下或墙体中，但出现问题时，单凭肉眼很难找到它们的准确位置，有时甚至会因为位置确定有误，导致整面墙体尽毁。为解决这个问题，避免多处挖墙体的尴尬，本文设计了一个基于双单片机的简易照明线路探测仪，该探测仪能探测出墙壁中白炽灯和节能灯线路的位置，这对生活照明线路出现故障时线路的抢修或施工时地下、墙体里线路位置的确定都有一定的实际应用价值。

1　系统总体方案设计

本文设计的双单片机简易照明线路探测仪由Atmega16-STC15F2K60S2双单片机电路[1]、信号检测与放大电路、坐标定位电路、显示及声光指示电路等组成，其系统总体设计框架如图1所示。

图1　系统总体结构框架图

探测仪线圈感应到带电电缆周围的谐波信号后，经放大滤波电路后，Atmega16单片机利用内部ADC进行谐波信号采样，经傅里叶变换得到各次谐波的幅度和相位[2-3]。Atmega16单片机把各次谐波信号进行比对分析，判断探测仪所在位置是否存在通电电缆以及确定电缆所接负载类型，然后将该信息以串行方式传输到STC15F2K60S2单片机，以进一步处理。STC15F2K60S2单片机一方面显示接收Atmega16单片机传输过来的信息，并给出声光指示；另一方面利用超声波测距的方法检测探测仪所在位置。

2　系统硬件电路设计

2.1双单片机电路设计

系统要进行傅里叶变换，对单片机的RAM及运行速度要求较高，普通12T机器周期的8051单片机已经不能满足运算的要求，因而采用速度较高的Atmega16单片机。若系统直接采用Atmega16单片机进行坐标识别、位置显示、声光指示等将大大降低了系统的运算速度，故将信号进行傅里叶变化后把结果发送给STC15F2K60S2单片机进行下一步的处理，以减轻Atmega16单片机的运行负担，提高系统运行速度，这样，系统组成了Atmega16-STC15F2K60S2双单片机控制结构，其电路如图2所示。

图2　双单片机控制电路

图3　信号处理电路

2.2谐波信号检测电路设计

带电电缆周围的谐波非常微弱，系统需要将谐波放大、滤波后再送入Atmega16单片机ADC端口进行检测。该放大滤波电路主要由感应线圈、差分放大电路、一阶滤波电路组成，其电路如图3所示。线圈感应谐波信号后，经U5A、U5B、U5C组成的差分式放大器后，再经过一阶低通滤波电路后送入单片机内部ADC。

2.3坐标定位电路设计

为精确测量探测仪所在位置，系统采用超声波测距的方法进行定位[4]，原理如图4所示。在探测仪安装向左和向上的两对超声波发射与接收模块，当探测仪移动时，STC15F2K60S2单片机发送40KHz的方波，经图5发射电路，最终以超声波的形式发射出去。经时间t1后，图6电路接收到从挡板或障碍物反射的超声波信号，此时探测仪到左挡板或障碍物的距离为：

式(1)中，v0为超声波在空气中的传播速度，v0取=344m/s[5]。

由图4可知探测仪所处位置的坐标(x，y)：

式(3)、(4)中a、b分别为方格左边沿、上边沿到挡板或障碍物的距离。因此，由(1)～(4)可知：

图4　坐标定位示意图

图5　发射电路

图6　接收电路

2.4显示及声光指示电路设计

为了直观地显示探测仪所在位置带电电缆存在与否、电缆所接负载类型、带电电缆坐标信息，建立友好的人机交互界面，系统采用带字库的LCD12864液晶进行直观显示相关信息。该液晶支持串行和并行读写模式，且在串行模式下只需两个IO口即可驱动显示屏显示，接口简单、使用方便。

探测仪检测到带电电缆时进行声光指示，LED发光，蜂鸣器嘀嘀嘀响。系统使用单片机的P27为低电平时发出声光指示，高电平时声光指示关闭。

3　系统软件设计

3.1系统流程图

该照明线路探测仪的软件设计主要包括了ADC转换子程序、傅里叶变换子程序、串行通信子程序、超声波测距程序、坐标计算子程序、显示报警子程序等。系统流程图如图7所示。Atmega16一开始进入初始化程序，包括傅里叶变化所需的各个存储器初始化、ADC寄存器初始化、UART寄存器初始化等。接着ADC采集256个数据，再经过傅里叶变换得到相应谐波的幅值，单片机根据幅值判断此时是否存在带电电缆和电缆所接负载类型。最后将判断结果通过SBUF寄存器发送出去。

另一方面，STC15F2K60S2单片机上电后首先进入串行接收中断初始化、LCD12864初始化、外部中断与定时器中断初始化、单片机IO口初始化等。接着发送40KHz的方波，单片机等待外部中断或定时器中断的发生。若单片机发生定时器中断，说明超声波接收超时，此时定时器数据无效；若单片机接收回波的IO口P3.2发生外部中断，此时单片机读取定时器寄存器TH0、TL0的值，即可得到(5)式中的t1，并根据(5)式计算出到左挡板或障碍物的距离x。同样的方法得到探测仪到上挡板或障碍物的距离y。接着，STC15F2K60S2单片机读取串行接收寄存器SUBF的值，并根据其值发出相应声光指示。最后，探测仪将位置、是否有带电电缆、电缆所接类型一并显示于液晶界面。

图7　系统软件流程图

3.2傅里叶变换应用

根据傅里叶展开级数，可得到N次谐波[6-7]：

(7)式中a0是直流分量，即一个周期内的平均值。an和bn为傅里叶级数的系数，它们是n次谐波的直流分量，对应的n次谐波的幅度An为：

其中，an和bn分别是傅里叶变换后的实部和虚部。由此就可求出各次谐波的幅度[8]。

电缆中有电流通过时，周围存在一定的电磁场，其强度与波形、电流有关。通过测量电线周围的电磁场，即可知道通过导线电流的情况。日光灯与白炽灯，内部构造不同，其周围电磁场不同，故线圈感应到的电压也不同。日光灯是纯阻性负载，Atmega16的ADC采集电压进行傅里叶变换，其频谱结果中只有50Hz的信号。节能灯则不同，内部含感性、容性等非线性电子元件，这些电子元件使其电流发生畸形，产生了大量的谐波，故线圈感应到的电压也含大量的谐波信号。系统通过比对基波、多次谐波的幅值，即可区别电缆是否通电和电缆所接负载类型。

Atmega16采样得到的数字信号，就可以进行傅里叶变换。为了方便进行傅里叶运算，系统采样点数取256点，采样频率为512Hz。系统采用蝶形运算傅里叶变换，其流程图如图8所示。

图8　傅里叶变换流程图

3.3实验数据处理

通过实际数据测量，白炽灯电压傅里叶变换结果如图9所示，节能灯电压傅里叶变换结果如图10所示。

图9　白炽灯傅里叶变换图

图10　节能灯傅里叶变换图

为了使实验结果更准确，系统对白炽灯和节能灯的基波、二次谐波、三次谐波进行多次测量并采用递推中位值平均滤波法[9]进行数据定标。若基波幅度大于2.88V且小于等于3.56V，且二次谐波、三次谐波幅度小于0.65V认为探测仪位置存在白炽灯电缆；若满足基波幅度大于2.88V且小于等于3.56V，且二次谐波、三次谐波幅度大于等于0.65V认为探测仪位置存在节能灯电缆；若基波幅度大于3.81V且小于等于4.72V，认为探测仪位置存在白炽灯和节能灯电缆。

4　结束语

本文设计的基于ATmega16和STC15F2K60S2结合的双单片机照明线路探测仪，在单独点亮节能灯，该探测仪在两分钟内能完成节能灯电缆的检测，方格内若存在带电电缆系统则给出相应的声光指示，并最终将节能灯电缆所在位置通过液晶回放显示。在单独点亮白炽灯和两灯一起点亮的两种情况下，探测仪能够识别所在方格是否存在白炽灯电缆，若存在则将位置通过液晶回放显示。将这一应用于线槽或墙内暗线断点检测，能很好地避免目前市场上探测仪探测位置不准确或因不知道电缆断处而大面积挖墙的尴尬，有一定的市场前景。

参考文献

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[9]张俊.匠人手记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008: 112-113.

吕德深（1987—），女，广西玉林人，硕士，助理工程师，研究方向：智能仪器与系统、无线电能传输研究、电子技术应用。

梁承权（1985—），男，广西贵港人，硕士，工程师，研究方向：智能家居研究、电源技术研究。

作者简介：

课题来源：南宁学院科研项目（2016XJJG22）。