简易照明线路故障检测系统设计

杨花雨,申俊星

(1．商丘工学院 信息与电子工程学院,河南 商丘 476000; 2.商丘职业技术学院 机电系,河南 商丘476000)

由于人们对室内装饰审美的要求，现代社会照明线路多以暗线为主. 随着时间的推移，线路老化带来的断线故障给维修人员带来了很大的困难.本论文利用三种方法对线路进行探测：一是利用电流周围有磁场的原理，采用磁头检测带电电缆，坐标识别采过去用红外传感器进行识别，回放显示电缆位置采用微处理器进行程序控制.二是利用磁棒检测带电电缆，采用光敏电阻进行坐标识别，回放显示带电电缆位置采用微处理器进行程序控制.三是采用带磁芯的线圈检测带电电缆，采用光敏电阻进行坐标识别，回放显示带电电缆位置采用微处理器进行程序控制[1]33-37.经过多次分析测试，磁头和磁棒虽都能完成任务但灵敏性较差，带磁芯的线圈灵敏度较高，故选择第三种方案来进行设计，如图1所示.

1 理论分析与计算

1.1 照明线路探测传感器分析

图1 照明线路故障检测系统

根据电磁效应原理，选择磁电传感器检测照明线路.常见的磁电传感器有霍尔传感器、干簧管传感器，经过多次试验测试，霍尔传感器近距离检测没有问题，但隔五合板之后检测不到，霍尔传感器满足不了设计要求.干簧管传感器原理上也可以检测照明线路，但干簧管如果安装，放置是个问题，经过检测信号也很微弱，隔五合板灵敏度很差.在霍尔传感器和干簧管传感器不能满足设计要求的前提下，想到了磁头和磁棒来检测，效果还不错，但磁头和磁棒容易自激，而且不能明显区别出11W节能和60W白炽灯.最后想到了线圈和铁芯，将电子镇流器中的线圈和铁芯拆下，进行调试，最初灵敏度较低，专门设计电路，通过NE5532两级放大进行检测，NE5532是高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路.与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点.经过多次调试，灵敏度很强，故选择电感线圈和铁芯适当组合来检测照明通电线路[2]157-158.

1.2 照明线路坐标识别传感器

当探测头检测到照明线路之后，要能够记忆并回放照明线路的坐标.关于坐标识别最初在五合板的49个坐标点钻孔，采用光电对管来进行检测，由于光电对管的散光性，容易造成误识别的问题，故放弃了光电传感器.受到光敏电阻对光敏感的启发，将探测头安装一个发光二极管，在49个方格中心钻孔来进行检测，并结合回放电路，在五合板的背面采用行列矩阵式安装排线，经过多次试验分析，效果明显，故采用光敏电阻来进行通电线路坐标识别.

1.3 坐标的识别

电缆一端与 220V 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 60W 白炽灯和 11W 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.(1)关闭 60W 白炽灯和 11W 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[3]327-329.(2)关闭 11W 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.(3)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.(4)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 60W 白炽灯带电电缆，分别计算出LED灯的电缆走线方式和各线路.对光敏电阻的筛选与测试，初始光敏电阻阵列数据由于在相同条件下阻值的最大值与最小值间的差值将近1k 故而感觉误差值将会超出范围内，后又逐一排查与更换，使得所有光敏电阻的阻值都控制在1.5 K～2 K之间使得误差控制在合理范围之内，实验结果更显合理与真实，其最终光敏电阻阻值数据(在相同光照条件下)如表1所示.

表1 最终确定的电阻阻值表

2 电路的设计

根据设计要求，电路包括探测头检测电路、探测仪显示电路、带电电缆位置回放电路、电源电路组成.

2.1 探测头检测电路

由于电流周围有磁场，照明线路的检测就是基于此原理来实现的.由于11W节能灯和60W白炽灯周围磁场不同，对于不同磁场的检测，经过试验分析采用带铁芯的电磁线圈为检测头.由于检测头信号微弱，故采用NE5532两级放大.对于鉴别不同的照明线路，采用两个555反相器及周围电路来区分.本电路使用NE5532运算放大器和NE555计时IC组成的(如图2)，NE5532是一种双运放高性能低噪运算放大器，NE555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号[4]371-373.

图2 探测头检测电路

2.2 探测仪显示电路

由于60W白炽灯电流为交流50HZ，而11W节能灯电流为交流3000HZ，探测不同的线路，需要鉴别所检测的照明线路的类型.为了完成本设计要求，采用两个4位数码管显示，左侧数码管显示灯名、方格号，灯名和方格号之间通过“—”链接，共四位.右侧数码管显示检测照明线路所用的总时间(几分几秒)，共四位.数码管的控制是通过单片机89C52来控制的，驱动电路采用9015三极管来实现(如图3所示).

图3 探测仪显示电路

2.3 带电电缆位置回放电路

为了实时地显示所检测过的照明线路，需要对带电电缆位置进行回放.回放电路采用光敏电路进行行列矩阵检测，将检测信号传送单片机进行处理，单片机处理后的信号通过点阵回放显示.有照明线路，对应的矩阵的方格点亮，没有照明线路，对应的矩阵方格不点亮.矩阵方格上所点亮的点就是所检测到照明线路，对检测的照明线路进行实时的回放[5]6-9.

2.4 电源电路

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成.为整个系统提供±5V或者±12V电压，确保电路的正常稳定工作.这部分电路比较简单，均采用三端78系列和79系列稳压管实现，故不作详述.

3 程序功能描述及测试结果

3.1 程序功能描述

根据功能要求，软件部分主要实现键盘的设置和显示.

键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型.

显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率.

3.2 测试结果及分析

根据设计要求，每种数据采集采取探测方格中心，根据声光报警情况确定是否采集成功，每种情况分别采集七组数据.自制五合板，五合板正反面画出7*7方格且两面精准对应；五合板背面布设带护套双绝缘的双芯并列聚录乙烯软电缆；五合板上安装灯、开关、220V交流电源插座.测试仪器包括万用表、示波器、稳压电源、探测仪.测试结果如表2所示.根据测试结果，满足所有指标要求.

4 结论

经过多次试验，在合理误差范围内，手持探测仪能够在较为准确的情况下在板正面扫描带电电缆的走向，并探测到带电电缆时予以蜂鸣示意，再经由信号输出在数码管及阵列上显示其电缆轨迹走向，在合理误差范围内达到题目要求.本探测仪结构完整、功能完善、工作可靠，操作简单、直观，符合设计和应用要求.

表2 照明线路故障探测系统测试结果

[1] 杨 欣.实例解读电子元器件与电路设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 胡 斌.集成电路识图轻松入门[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[3] 藤井信生.电子实用手册[M].北京：科学出版社，2001.

[4] 康华光.电子技术基础数字部分[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5] 韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京：电子工业出版社，2004.