基于STC單片機的市電暗電纜線路徑探測儀設計

摘 要： 利用STC12C5A60S2微處理器、電流互感器等器件，設計了一款市電暗電纜路徑探測儀，詳細介紹了電纜線探測原理和系統軟硬件設計方法。實驗結果顯示，該探測儀能對墻內帶電電纜線進行精確路徑查找和鑒別，對于2 000 W功率以內的負載，測量誤差小于±5 cm。該探測儀集成度高、體積小、可靠性高，可作為電纜施工和維護設備。

關鍵詞： STC12C5A60S2； 電流互感器； 探測儀； 探測誤差

中圖分類號： TN916.83?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0120?04

0 引 言

隨著商業大廈、商品房等建筑的室內裝修越來越精致，布置暗電纜線越來越流行，同時這種布電纜線方式給用戶日后電纜改裝、維護帶來諸多不便，如：需要在墻上打孔安裝裝飾品時，但不能確定打孔處是否有暗線；電工檢修電線線路時，需要準確定位電線路徑等等場景。因此，研發一款市電暗電纜路徑探測儀很有必要，該探測儀集成度高，穩定性好，為電纜線改裝和維護工作提供了方便，具有廣闊的應用前景。

1 暗電纜線路徑探測原理

根據電磁感應原理，只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路就有電流產生[1]。一般墻內暗線包括零線（N）和火線（L），它們是在同一線盒中平行放置的，且電流方向是相反的，生產磁場模型如圖1所示，零線和火線之間的磁場被相互抵消、衰減（圖中用虛線表示），只有零線和火線的外側存在較強的磁場（圖中用實線表示），探測儀主要檢測零線或火線的外側部分的磁場。由于零線和火線通過交變的電流，所以在這兩根線周圍會產生交變的磁場，若它們周圍有閉合電路，即可產生感應電流，本文根據這種電磁感應現象來設計探測儀的探頭。

探頭采用2個U型導磁鐵芯做成正交的電流互感器，在每個U型導磁鐵芯上繞2 500匝漆包線，探頭的正切面如圖2所示。當零線或火線與x方向平行且靠近它時，第2組電流互感器將能檢查到較強的磁場，而此時第1組電流互感器剛好與零線或火線正交，比較難檢測到磁場；當零線或火線與y方向平行且靠近它時，結果與前者剛好相反。這樣設計探頭目的是為增強探測儀的靈敏性，避免某一組電流互感器剛好與零線或火線正交時丟失數據[2]。

2 硬件電路設計

探測儀主要由STC12C5A60S2微處理器、2個正交的電流互感器探測頭、信號采集及調理電路、信號告警電路、系統電源等電路模塊組成，系統硬件電路框圖如圖3所示。

2.1 控制核心及外圍電路

STC12C5A60S2微處理器是宏晶公司生產的一款增強型8051內核單片機，內部具有8路高速10位ADC，2個USART（支持SPI、I2C總線接口）[3]，不需要外部A/D轉換芯片就可以直接實現多路信號采集，本設計中主要利用了STC12C5A60S2微處理器的片內2路ADC采集電流互感器輸出的信號，被測量信號分別從單片機的P1.0和P1.1端口輸入。

2.2 信號采集及調理電路

系統有2個正交的電流互感器探測頭，這2個探測頭采集入信號調理電路基本相同，本設計以其中一個電流互感器探測頭的信號采集及調理電路為例，電路如圖4所示。

由于探測儀是手持設備，整個系統采用單電源工作，采用TL431作為2.5 V基準電壓輸出，把探測頭輸出的信號整體抬高2.5 V，轉換成變化的直流信號[4]；為了提高變化范圍及精度，本設計對電流互感器輸出信號進行了差分放大，然后再通過電容進行隔直流，再進行第二次放大，最后送到單片機內進行A/D轉換。

采用示波器監測“信號采集及調理電路”的輸出波形，以60 W白熾燈作為電阻型負載，11 W節能燈作為開關型負載進行實驗。實驗結果：本電路探測出60 W白熾燈電纜上產生的感應交流電流波形，如圖5所示；本電路探測出11 W節能燈電纜上產生的感應交流電流波形，如圖6所示。

市電的大部分負載可以分類為電阻型和開關型，電阻型負載的電纜線上不存在電流諧波分量，從而在電流互感器上產生感應電流也無諧波分量，電流波形比較光滑；而開關型負載的電纜線上存在電流諧波分量，從而在電流互感器上產生感應電流就有諧波分量，電流波形上有很多毛刺和尖脈沖。當負載功率越大，“信號采集及調理電路”輸出的波形峰峰值就越大。

3 軟件設計

單片機程序設計的主要任務是對“信號采集及調理電路”輸出信號進行A/D采樣，經過算法程序判定是否探測到帶電暗電纜線，并發出告警信號。

單片機A/D引腳輸入信號值的理想范圍為0～5 V，但實際上由于LM324運放的自身缺陷，導致輸入信號值的實際范圍為1.5～3.5 V，超出該范圍信號會失真；單片機內部的ADC進行A/D轉換的分辨率[5]是：5 V/1 023。

初始化定時器1，使其工作在自動裝載模式下，以20 ms為一個周期，在一個周期內同時對兩路“信號采集及調理電路”輸出信號進行A/D采樣。每路采樣程序都設置閾值和高于閾值計數器兩個寄存器，在每個周期內，單片機不停地采樣，每次采樣的實時值與閾值進行比較，若采樣點的實時值高于閾值時，高于閾值計數器就會加1，否則高于閾值計數器保持不變。當高于閾值計數器越大，表明暗電纜線帶的負載功率越大，告警信號頻率越高。兩路采樣信號互相獨立，采樣原理基本相同，無論某路探測出電纜線系統就確定探測到電纜，單片機軟件設計流程圖如圖7和圖8所示。

4 實驗與誤差分析

一般墻體內的暗電纜線離墻面的距離不大于2.5 cm，所以本實驗選用120 cm×120 cm×2.5 cm規格的木板模擬墻體，在木板正反面繪制 50×50 方格必須兩面精準對應；方格線條的寬度不大于 0.1 cm；每個方格的大小為 2 cm×2 cm；各方格在板上的位置用其序號表示（1～2500）。在木板反面布置60 W白熾燈、11 W節能燈、750 W電熱水壺、電磁爐四種負載的電纜線，反面布設的電纜為帶護套雙絕緣的雙芯并列聚氯乙烯軟電纜，規格為 2×0.5 mm2；要求電纜線路徑經過方格中心，并緊貼木板，探測儀在木板正面貼緊木板表面進行移動探測，當探測到帶電暗電纜時，探測儀會發出告警信號，實驗結果如表1所示。

由實驗數據可知，探測誤差與負載功率大小有關，當負載功率越大，探測誤差越大，這是因為負載功率越大，負載的電纜線上通過的電流越大，從而產生的感應電流就越大。對于2 000 W以內的負載，探測誤差d<±5 cm，符合實際工程要求。

5 結 語

本文采用STC微處器、電流互感器等器件設計的市電暗電纜線路徑探測儀具有數字化、小型化、靈敏度高等優點，通過實驗測試，該探測儀測量誤差小，可為電力施工人員在電纜線改裝、維護等工作時提供便利，保障電氣安全，因此，該探測儀具有比較廣泛的應用前景。

參考文獻

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