南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院　呂德深　梁承權(quán)

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基于雙單片機(jī)的簡(jiǎn)易照明線(xiàn)路探測(cè)儀

南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院呂德深梁承權(quán)

【摘要】針對(duì)暗敷設(shè)照明電線(xiàn)電纜探測(cè)難題，文中提出了一種照明線(xiàn)路探測(cè)方案。一方面利用ATmega16單片機(jī)對(duì)放大的諧波信號(hào)采樣，并進(jìn)行傅立葉變換，得到探測(cè)儀所在位置是否存在帶電電纜和電纜所接負(fù)載類(lèi)型；另一方面利用STC15F2K60S2單片機(jī)控制超聲波模塊測(cè)距、計(jì)算探測(cè)儀所處坐標(biāo)，并將坐標(biāo)顯示于LCD12864液晶，最后給出相應(yīng)的聲光指示。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確探測(cè)出照明線(xiàn)路所在位置，結(jié)構(gòu)完整，操作簡(jiǎn)單。

【關(guān)鍵詞】照明線(xiàn)路探測(cè)儀；ATmega16；STC15F2K60S2；傅立葉變換；坐標(biāo)定位；聲光指示

0　引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平日漸提高，對(duì)美的追求也越來(lái)越嚴(yán)苛。目前，不論是在家庭裝修設(shè)計(jì)中，還是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了美觀，一些線(xiàn)路和管道往往被暗敷設(shè)于地下或墻體中，但出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，單憑肉眼很難找到它們的準(zhǔn)確位置，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)槲恢么_定有誤，導(dǎo)致整面墻體盡毀。為解決這個(gè)問(wèn)題，避免多處挖墻體的尷尬，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于雙單片機(jī)的簡(jiǎn)易照明線(xiàn)路探測(cè)儀，該探測(cè)儀能探測(cè)出墻壁中白熾燈和節(jié)能燈線(xiàn)路的位置，這對(duì)生活照明線(xiàn)路出現(xiàn)故障時(shí)線(xiàn)路的搶修或施工時(shí)地下、墻體里線(xiàn)路位置的確定都有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙單片機(jī)簡(jiǎn)易照明線(xiàn)路探測(cè)儀由Atmega16-STC15F2K60S2雙單片機(jī)電路[1]、信號(hào)檢測(cè)與放大電路、坐標(biāo)定位電路、顯示及聲光指示電路等組成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

探測(cè)儀線(xiàn)圈感應(yīng)到帶電電纜周?chē)闹C波信號(hào)后，經(jīng)放大濾波電路后，Atmega16單片機(jī)利用內(nèi)部ADC進(jìn)行諧波信號(hào)采樣，經(jīng)傅里葉變換得到各次諧波的幅度和相位[2-3]。Atmega16單片機(jī)把各次諧波信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析，判斷探測(cè)儀所在位置是否存在通電電纜以及確定電纜所接負(fù)載類(lèi)型，然后將該信息以串行方式傳輸?shù)絊TC15F2K60S2單片機(jī)，以進(jìn)一步處理。STC15F2K60S2單片機(jī)一方面顯示接收Atmega16單片機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的信息，并給出聲光指示；另一方面利用超聲波測(cè)距的方法檢測(cè)探測(cè)儀所在位置。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1雙單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要進(jìn)行傅里葉變換，對(duì)單片機(jī)的RAM及運(yùn)行速度要求較高，普通12T機(jī)器周期的8051單片機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足運(yùn)算的要求，因而采用速度較高的Atmega16單片機(jī)。若系統(tǒng)直接采用Atmega16單片機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)識(shí)別、位置顯示、聲光指示等將大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)算速度，故將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化后把結(jié)果發(fā)送給STC15F2K60S2單片機(jī)進(jìn)行下一步的處理，以減輕Atmega16單片機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，這樣，系統(tǒng)組成了Atmega16-STC15F2K60S2雙單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)，其電路如圖2所示。

圖2　雙單片機(jī)控制電路

圖3　信號(hào)處理電路

2.2諧波信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

帶電電纜周?chē)闹C波非常微弱，系統(tǒng)需要將諧波放大、濾波后再送入Atmega16單片機(jī)ADC端口進(jìn)行檢測(cè)。該放大濾波電路主要由感應(yīng)線(xiàn)圈、差分放大電路、一階濾波電路組成，其電路如圖3所示。線(xiàn)圈感應(yīng)諧波信號(hào)后，經(jīng)U5A、U5B、U5C組成的差分式放大器后，再經(jīng)過(guò)一階低通濾波電路后送入單片機(jī)內(nèi)部ADC。

2.3坐標(biāo)定位電路設(shè)計(jì)

為精確測(cè)量探測(cè)儀所在位置，系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距的方法進(jìn)行定位[4]，原理如圖4所示。在探測(cè)儀安裝向左和向上的兩對(duì)超聲波發(fā)射與接收模塊，當(dāng)探測(cè)儀移動(dòng)時(shí)，STC15F2K60S2單片機(jī)發(fā)送40KHz的方波，經(jīng)圖5發(fā)射電路，最終以超聲波的形式發(fā)射出去。經(jīng)時(shí)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(hào)，此時(shí)探測(cè)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(cè)儀所處位置的坐標(biāo)(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(biāo)定位示意圖

圖5　發(fā)射電路

圖6　接收電路

2.4顯示及聲光指示電路設(shè)計(jì)

為了直觀地顯示探測(cè)儀所在位置帶電電纜存在與否、電纜所接負(fù)載類(lèi)型、帶電電纜坐標(biāo)信息，建立友好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)采用帶字庫(kù)的LCD12864液晶進(jìn)行直觀顯示相關(guān)信息。該液晶支持串行和并行讀寫(xiě)模式，且在串行模式下只需兩個(gè)IO口即可驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示，接口簡(jiǎn)單、使用方便。

探測(cè)儀檢測(cè)到帶電電纜時(shí)進(jìn)行聲光指示，LED發(fā)光，蜂鳴器嘀嘀嘀響。系統(tǒng)使用單片機(jī)的P27為低電平時(shí)發(fā)出聲光指示，高電平時(shí)聲光指示關(guān)閉。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)流程圖

該照明線(xiàn)路探測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)主要包括了ADC轉(zhuǎn)換子程序、傅里葉變換子程序、串行通信子程序、超聲波測(cè)距程序、坐標(biāo)計(jì)算子程序、顯示報(bào)警子程序等。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。Atmega16一開(kāi)始進(jìn)入初始化程序，包括傅里葉變化所需的各個(gè)存儲(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到相應(yīng)諧波的幅值，單片機(jī)根據(jù)幅值判斷此時(shí)是否存在帶電電纜和電纜所接負(fù)載類(lèi)型。最后將判斷結(jié)果通過(guò)SBUF寄存器發(fā)送出去。

另一方面，STC15F2K60S2單片機(jī)上電后首先進(jìn)入串行接收中斷初始化、LCD12864初始化、外部中斷與定時(shí)器中斷初始化、單片機(jī)IO口初始化等。接著發(fā)送40KHz的方波，單片機(jī)等待外部中斷或定時(shí)器中斷的發(fā)生。若單片機(jī)發(fā)生定時(shí)器中斷，說(shuō)明超聲波接收超時(shí)，此時(shí)定時(shí)器數(shù)據(jù)無(wú)效；若單片機(jī)接收回波的IO口P3.2發(fā)生外部中斷，此時(shí)單片機(jī)讀取定時(shí)器寄存器TH0、TL0的值，即可得到(5)式中的t1，并根據(jù)(5)式計(jì)算出到左擋板或障礙物的距離x。同樣的方法得到探測(cè)儀到上擋板或障礙物的距離y。接著，STC15F2K60S2單片機(jī)讀取串行接收寄存器SUBF的值，并根據(jù)其值發(fā)出相應(yīng)聲光指示。最后，探測(cè)儀將位置、是否有帶電電纜、電纜所接類(lèi)型一并顯示于液晶界面。

圖7　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2傅里葉變換應(yīng)用

根據(jù)傅里葉展開(kāi)級(jí)數(shù)，可得到N次諧波[6-7]：

(7)式中a0是直流分量，即一個(gè)周期內(nèi)的平均值。an和bn為傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)，它們是n次諧波的直流分量，對(duì)應(yīng)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(shí)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(guò)時(shí)，周?chē)嬖谝欢ǖ碾姶艌?chǎng)，其強(qiáng)度與波形、電流有關(guān)。通過(guò)測(cè)量電線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)，即可知道通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電流的情況。日光燈與白熾燈，內(nèi)部構(gòu)造不同，其周?chē)姶艌?chǎng)不同，故線(xiàn)圈感應(yīng)到的電壓也不同。日光燈是純阻性負(fù)載，Atmega16的ADC采集電壓進(jìn)行傅里葉變換，其頻譜結(jié)果中只有50Hz的信號(hào)。節(jié)能燈則不同，內(nèi)部含感性、容性等非線(xiàn)性電子元件，這些電子元件使其電流發(fā)生畸形，產(chǎn)生了大量的諧波，故線(xiàn)圈感應(yīng)到的電壓也含大量的諧波信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)比對(duì)基波、多次諧波的幅值，即可區(qū)別電纜是否通電和電纜所接負(fù)載類(lèi)型。

Atmega16采樣得到的數(shù)字信號(hào)，就可以進(jìn)行傅里葉變換。為了方便進(jìn)行傅里葉運(yùn)算，系統(tǒng)采樣點(diǎn)數(shù)取256點(diǎn)，采樣頻率為512Hz。系統(tǒng)采用蝶形運(yùn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量，白熾燈電壓傅里葉變換結(jié)果如圖9所示，節(jié)能燈電壓傅里葉變換結(jié)果如圖10所示。

圖9　白熾燈傅里葉變換圖

圖10　節(jié)能燈傅里葉變換圖

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，系統(tǒng)對(duì)白熾燈和節(jié)能燈的基波、二次諧波、三次諧波進(jìn)行多次測(cè)量并采用遞推中位值平均濾波法[9]進(jìn)行數(shù)據(jù)定標(biāo)。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(rèn)為探測(cè)儀位置存在白熾燈電纜；若滿(mǎn)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(rèn)為探測(cè)儀位置存在節(jié)能燈電纜；若基波幅度大于3.81V且小于等于4.72V，認(rèn)為探測(cè)儀位置存在白熾燈和節(jié)能燈電纜。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ATmega16和STC15F2K60S2結(jié)合的雙單片機(jī)照明線(xiàn)路探測(cè)儀，在單獨(dú)點(diǎn)亮節(jié)能燈，該探測(cè)儀在兩分鐘內(nèi)能完成節(jié)能燈電纜的檢測(cè)，方格內(nèi)若存在帶電電纜系統(tǒng)則給出相應(yīng)的聲光指示，并最終將節(jié)能燈電纜所在位置通過(guò)液晶回放顯示。在單獨(dú)點(diǎn)亮白熾燈和兩燈一起點(diǎn)亮的兩種情況下，探測(cè)儀能夠識(shí)別所在方格是否存在白熾燈電纜，若存在則將位置通過(guò)液晶回放顯示。將這一應(yīng)用于線(xiàn)槽或墻內(nèi)暗線(xiàn)斷點(diǎn)檢測(cè)，能很好地避免目前市場(chǎng)上探測(cè)儀探測(cè)位置不準(zhǔn)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(chǎng)前景。

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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(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電能傳輸研究、電子技術(shù)應(yīng)用。

梁承權(quán)（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(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：

課題來(lái)源：南寧學(xué)院科研項(xiàng)目（2016XJJG22）。