方案设计及论证

K题　简易照明线路探测仪

一、任务

设计并制作具有显示器的简易照明线路探测仪，能在厚度为5 mm的五合板正面探测出背面2根照明电缆的位置，电缆的布线如图K-1所示。

电缆一端与220 V交流电源插座相连；另一端连接着大螺口(E27)灯座，并分别拧入60 W白炽灯和11 W节能灯，各灯的亮灭由开关控制。两根电缆以图钉侧边压扣或胶带粘贴的方式布设，布线可在7×7方格组成的区域内根据需要任意调整。

图K-1　电缆布设示意图

二、要求

1． 基本要求

(1)关闭60 W白炽灯和11 W节能灯，将节能灯的电缆按要求布设完毕后，将其点亮，手持探测仪在板正面扫描带电电缆的走向，探测到带电电缆时予以蜂鸣示意。

(2)要求2 min之内完成上述探测任务。

(3)探测结束后，探测仪能回放显示带电电缆位置的方格号序列。

2． 发挥部分

(1)关闭11 W节能灯，点亮白炽灯，仿照上述基本要求完成对白炽灯电缆走向的探测任务。

(2)先关闭两盏灯，改变2根电缆的布设，并使其间隔不小于一个方格，然后再点亮两灯。要求探测仪能在1 min内准确探测出5个指定位置是否有60W白炽灯带电电缆。

(3)先关闭两盏灯，改变2根电缆的布设，并使其局部间隔小于一个方格，然后再点亮两灯。要求探测仪能在2 min内准确探测出5个指定位置是否有60 W白炽灯带电电缆。

(4)其他。

三、说明

(1)制作和评测时务必注意电气安全事项。

(2)作品不得采用商业化产品进行改装制作。

(3)五合板正反面所画的7×7方格必须两面精准对应；方格线条的宽度不大于2 cm，线条的虚实类型自定；每个方格的大小为15 cm×15 cm(从方格线条的中心算起)；各方格在板上的位置用其序号表示。

(4)五合板背面布设的电缆为带护套双绝缘的双芯并列聚氯乙烯软电缆，规格为2×0.5 mm2；每根电缆的长度不小于2.5 m。

(5)所用的五合板、图钉或胶带、电缆、灯座、灯、开关、220 V交流电源插座等均由参赛者自行准备。

(6)探测仪与被测板的接触面不得大于板上的一个方格。

(7)探测仪显示格式为：灯名，方格号1、方格号2…，用时m分n秒。

四、评分标准

报　告　1

基本信息

一、方案设计及论证

1.直流稳压电源方案选择

方案1：采用晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图K-1-1所示，该电路中，输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与因供电电压Ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

方案2：采用三端集成稳压器电路。可以采用LM7805三端稳压器。LM7805能提供DC5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1 A的电流，能满足系统指标要求，如功耗、最大电流等指标要求。另外，考虑系统设计的便携性，使用4节3.6 V铅酸锂铁电池进行供电。该方案原理简单，电路经典，能很好地满足题目的各项设计指标要求。故综合比较后，决定采用方案2。

2.控制器MCU方案选择

根据题目要求，要设计带电电缆的测量和显示电路，因此得采用MCU配合A/D转换器来完成测量及显示。

方案1：采用AT89S51配合10位AD7357来完成采样及测量，整个系统简单灵活，便于实现，但外围器件较多。

方案2：采用STC12C5A60S2单片机，不仅运行速度快，而且片内具有丰富的内部资源，如A/D转换器，PWM等，这样可以直接使用单片机的内部资源，精简了外围模块电路的设计，提高了系统运行的可靠性。综合比较，决定选用资源更丰富的STC单片机。

3.电缆探测方案的论证与选择

方案1：采用霍尔传感器检测。可以测量任意波形的电流和电压。原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9 600 Vrms。精度高、线性度好、宽带宽。但是由于霍尔传感器体积小，故接触面就较小，不适合本系统。

方案2：采用线圈检测。通入交流电的导体周围会产生交变磁场，线圈在交变磁场中感应出电动势，即将非电量磁场转化成电量电动势，再将微弱的电动势进行放大、整流滤波处理后，送入单片机用A/D采集这一信号，根据A/D采集的电压大小可以判断出哪一条线路中有电流，也就确定了五合板后边有没有电缆。而且线圈的接触面大，很适合本系统。综上所述，选择方案2。

二、系统方案设计

本系统主要以STC12C5A60S2单片机为控制核心，另外包含时钟电路、按键电路、报警电路和LCD显示电路等模块。系统方案整体框图如图K-1-2所示。

图K-1-2　系统方案框图

该系统选用自制感应线圈检测照明线路电缆。为了实现将检测到的信号转换成数字信号送给单片机进行处理，通过集成运放TLC085设计并制作信号处理电路，感应线圈感应到的信号通过放大、限幅、检波、滤波等处理。探测多点方格用时功能，通过DS1302时钟电路来完成。当照明线路探测仪探测到带电电缆时，将及时记录到单片机中，同时能够发出声光报警提示。并通过回显功能，将所检测到的所有带电电缆的位置序号在LCD屏上显示出来。

三、系统理论分析与计算

麦克斯韦电磁场理论是电磁场领域的经典理论，同时也是本设计电磁检测的理论基础，根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁波。照明线路探测仪使用的交流电流频率为50 Hz，产生的电磁波属于超低频(SLF)电磁波，如图K-1-3所示。

图K-1-3　电流周围电磁场分布示意图
注①：图中其中λ是波长，c是光速，f是频率。

导线周围的电场和磁场，是按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得带电导线的位置，这是该简易照明线路探测仪信号检测的主要工作原理。

由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I、长度为L的直导线周围会产生磁场，与导线距离为r处的P点的磁感应强度为：

对于无限长直流电流来说，上式中θ1=0，θ2=π，则有

因此，可以根据来检测和分辨到底是接11 W节能灯的电缆，还是接60 W白炽灯的电缆。

四、核心部件电路设计

1.信号检测与信号调理模块电路设计

照明线路电缆检测模块主要用自制感应线圈(阻值约220 Ω)来完成带电电缆产生的电磁场的感应。信号调理电路模块是由集成运放TLC085及其外围电路组成，实现将检测到的信号转换成数字信号送给单片机进行处理。单片机根据信号的采集判断后，发出相应的指令动作，如图K-1-4所示。

图K-1-4　信号调理电路图

2.时钟模块电路设计

DS1302的6脚为单片机外部中断T0提供中断输入信号，液晶显示屏显示的时间在测试模式时是测试实时时间，在回显模式时是测试所用的实际时间，如图K-1-5所示。

图K-1-5时钟电路

图K-1-6　报警电路

3.报警模块与显示模块

根据任务要求，当有探测仪探测到带电电缆时，要求以蜂鸣示意。本系统通过电阻、三极管S9013、蜂鸣器共3个分立元件，设计了简单的蜂鸣报警电路。如图K-1-6所示。

系统的显示模块主要采用南京傲雪生产的一款液晶产品LCD12864液晶显示模块，很好地实现了系统显示功能。

五、系统软件设计分析

1.软件设计

系统主程序流程如图K-1-7所示。

图K-1-7　主程序流程图

2.数据测量模块子程序设计

如图K-1-8所示。

报　告　2

基本信息

一、技术方案分析比较

本设计主要从通电线缆探测方式、A/D芯片选择、供电模块与显示模块进行分析与比较，选择最佳方案完成题目要求。

1.通电线缆探测方式的选择

方案1：采用静电场探测。灯具电器工作时线路周围既有电场，也有磁场，还有静电场。用天线感应静电场，经模拟电路放大处理。判断出不同灯具工作时产生的静电场差异，从而分辨出灯具的存在与否，并区分灯具种类。这种方法分辨度有限。

方案2：采用交变磁场检测。灯具工作时，导电线路中会通过交变的电流，在导线周围产生交变磁场。基于电磁感应原理与楞次定律，把检测线圈放到工作中的线路旁边，会产生感生电动势。用模拟电路放大、倍压检波可获得能反映交变磁场强弱的电压值。后续模数转换电路转换成数字量后交由单片机进行算法处理，实现赛题要求。

方案3：采用数字谐波分析法。节能灯内部有电子整流器，工作频率通常为几十kHz，因而存在电磁辐射，线路中会产生谐波。而白炽灯属阻性负载，不会产生额外的谐波。可采用数字信号处理技术对它们进行频谱分析，检测两种灯具的谐波差异，从而实现题目要求。这种方案耗时较长，技术难度大。

考虑到赛程时间有限及方案实现的技术难度，本系统选用方案2。

2.A/D芯片模块

方案1：采用ADC0804。ADC0804采用CMOS工艺，有20个引脚，分辨率为8位，转换时间为100 μs，输入电压范围为0～5 V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线路上。它的电压分辨率为：≈20 mV。此外，其占用单片机I/O口较多。

方案2：采用TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O口资源。它的电压分辨率为：≈1 mV。

综合考虑A/D芯片的电压分辨率和占用I/O口数目，选择TLC2543。

3.供电模块

方案1：采用电池供电。采用1节12 V可充电锂电池给电路供电。采用常用的稳压芯片LM7805将12 V电压降压到5 V，得到稳定的5 V电压给整个系统供电。

方案2：采用开关电源。采用自制5 V输出的开关电源供电。虽然开关电源的效率高，但是存在高频辐射，会对本系统正常工作带来干扰。

综上所述，锂电池容量大，供电时间长，可以反复充电重复利用，经济环保。更重要的是它没有干扰，便于携带。因此，选择方案1。

4.显示模块

方案1：采用LCD1602。LCD1602为5 V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。

方案2：采用LCD12864。LCD12864使用ST7920控制器，5 V电压驱动，带背光，内置8192个16×16点阵、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。与单片机接口可采用并行或串行两种控制方式。

综上所述，从使用方便程度与占用单片机I/O口资源角度考虑，选择LCD12864作为显示器件。

二、系统结构工作原理

根据预期实现目标定位，结合技术方案分析比较，本系统结构如图K-2-1所示。

图K-2-1　简易照明电路探测仪的系统结构

本探测仪主要由两部分构成，包括磁场检测模块和以STC12C5A60S2单片机为核心的数据处理模块。磁场检测模块对通电照明线路周围的交变磁场进行检测。交变磁场在检测线圈中产生的感应电动势经过模拟电路放大、信号检波后，送给模数转换器TLC2543数字化。当坐标识别电路成功实现方格定位后，单片机STC12C5A60S2从A/D读取数据。然后进行抗干扰滤波运算和算法判决，最终实现照明线路探测功能。

三、核心部件电路设计

1.磁场检测电路

磁场检测模块由LC选频回路、放大电路及检波电路组成，如图K-2-2所示。第一级放大管选用超高频三极管9018。电阻R1、R2及+5 V电源构成三极管Q1的固定式偏置电路。电感线圈L1、电容C1和三极管Q1构成LC选频放大回路，利用电磁感应原理对交变磁场进行检测。检测到的信号经耦合电容C2、电位器RP1、电容C4耦合至三极管Q2进一步放大，得到交变电压Ui。在调试电路时，通过调节电位器RP1可改变检测灵敏度，避免在强信号时Q2进入饱和状态，增强对不同测试环境的适应能力。由电容C5、C6和二极管D1、D2组成倍压检波电路，将交变电压Ui整流为直流电平。在输入信号Ui的负半周，Ui经D1对C5充电，C5上电压极性为左负右正；在输入信号Ui正半周时，Ui与电容C5上电压串联叠加后流经D2、R5。检波负载R5上可得到约2倍于Ui的输出电压。C6的作用是滤除检波输出信号中的高频成分，电阻R5相当于A/D的接地电阻。考虑到后级模数转换器的输入阻抗很高，很小的干扰可能造成输入较大的波动，影响结果。

图K-2-2　磁场检测电路图

由LC谐振频率公式：可知，为提高对50 Hz交变磁场的检测灵敏度，尽可能使LC谐振回路的振荡频率接近工频。电容选用0.1 μF 瓷片电容，将f=50 Hz，C=0.1×10-6F代入2，得到L=1.014 H。这么大的电感很难得到。电感越大，谐振频率越低。因而，应选用电感尽可能大的线圈。

楞次定律表明，感生电动势的大小和通过闭合线圈的磁通量的变化率及线圈的匝数N成正比。本系统选用黑白电视机交流变压器的初级绕组作检测线圈。匝数N=1 600圈，用BC5373 LCR数字电桥实测，电感量L1为98.56 mH，品质因数为2.28。

因此，LC选频回路的谐振频率为：

介于工频及节能灯工作频率(几十kHz )之间，满足设计指标要求。

节能灯工作频率通常为几十kHz，而白炽灯只有50 Hz。由楞次定律可知，通电节能灯线路产生的感应电动势远大于白炽灯线路产生的感应电动势。这样，通过区分检波电路输出电平的大小，即可确定灯具的种类及通电状态。

2.ADC电路

TLC2543具有4线制串行接口，分别为片选端)，串行时钟输入端(I/O CLOCK)，串行数据输入端(DATA INPUT)和串行数据输出端(DATA OUT)。它可以直接与SPI器件进行连接，不需要其他外部逻辑。

TLC2543的EOC、I/O CLOCK、DATA INPUT、DATA 引脚分别与单片机的P3.7、P3.6、P3.5、P3.4、P3.3相连。模数转换电路如图K-2-3所示。

图K-2-3　ADC电路图

图K-2-4　红外对管传感器电路

3.坐标识别电路

采用红外对管ST_178对木板上分布的区域进行扫描，红外对管线路如图K-2-4所示。红外对管是一种利用红外线的开关管，接收管在接收到红外线时电阻发生明显的变化。经由外围运放电路构成的电压比较器，可以输出明显的高低电平，高低电平的变化输入单片机就可使之识别，从而实现智能控制。

图K-2-5　红外对管探头

用红外对管对木板上分布的方格进行探测，通过红外对管的运动来对格子进行计数和记录，如图K-2-5为红外对管的安装示意图。首先确定探头所探测的第一个方格计数为1，若将探头向左移动一位则数字加1，如果将探头再向右移动一位则数字减1，由于项目是一个7×7的矩阵方格，所以当探头向上移动时则数字加7，上述算法则可以进行坐标识别。在测试过程中，探测格子也必须要注意方法，能够节省时间，准确的读出坐标的位置。

4.单片机控制及按键模块

该简易照明线路探测仪的最小系统是基于STC89C52芯片所设计的最小系统。按键模块共有八个按键，分别接在P0口上，用于菜单选择与调节在坐标识别时的进入、选择、完成和退出的功能。其连接图如图K-2-6所示。

图K-2-6　单片机控制及按键模块

5.液晶显示与蜂鸣器电路

显示模块采用的是液晶LCD12864，有专门的指令集，可完成文本显示和图形显示的功能设置。显示项目要求格式为：灯名，方格号1、方格号2、…，用时m分n秒。在这个系统中，液晶LCD12864与单片机之间采用串行通信方式。

蜂鸣器电路如图K-2-7所示。当某一方格测量完毕，判断有通电电缆时，驱动蜂鸣器发声示意。

图K-2-7　蜂鸣器电路

四、系统软件设计

在编写程序的过程中，首先进行初始化将数字定位在第一格，按下启动键进行计时，开始进行检测，并且记下时间和方格号。将传感器移动，计算它的坐标，并且判断坐标是否正确，如果不正确就返回到启动的时刻进行重新计数计算直至判断正确时，如果判断坐标正确则显示结果。其流程图如图K-2-8所示。

图K-2-8　程序设计流程图

五、总结分析

1.交变磁场检测模块的测试

连接硬件电路，把灯泡线路放置在五合板的一面，在另一面用探测模块检测，记录有效数据如下表所示, 数据单位均为V。

表K-2-1　探测模块测试数据

从表K-2-1中可知，所设计的探测模块能够准确可靠检测出灯具线路的有、无及灯具线路的种类，为实现题目要求，打下坚实基础。

2.整机电路的测试

将程序下载到单片机后，手持本探测仪，在距木板2 cm的距离上可正确对灯具线路有、无及灯具种类进行分辨，与格子的定位与计时，实现了比赛题目的要求。整机探测灵敏度高，工作可靠稳定。

3.总结展望

由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。在测试过程中，探测格子也必须要注意方法，注意角度的使用，能够节省时间，准确的读出坐标的位置。

六、参考资料

杨碧石.模拟电子技术基础.北京：人民邮电出版社，2008

万隆.单片机原理及应用技术.北京：清华大学出版社，2010

陈海松.单片机应用技能项目化教程.北京：电子工业出版社，2012