基于LDC1000電感數(shù)字傳感器的墻體電線位置測量儀設(shè)計(jì)

　　一般工程中，當(dāng)建筑實(shí)體建好后，很多基礎(chǔ)設(shè)施就隨之而完成。其中，包括用戶用電線路鋪設(shè)。而在二次裝修或做弱電線路二次鋪設(shè)時(shí)，需要避開墻體中220 V電線。多數(shù)二次施工過程鋪設(shè)線路時(shí)，均靠工人師傅的經(jīng)驗(yàn)完成。還有，老舊建筑物電線故障查詢時(shí)，也需要進(jìn)行墻體電線探測。文中基于以上需求，研制簡易輕便的墻體電線測量儀。2013年，我們制作一臺(tái)三合板背面電線探測儀，當(dāng)時(shí)使用是漆包線纏繞而成的笨重大電感完成的檢測，雖能完成檢測，但儀器很笨拙。而當(dāng)2013年TI公司發(fā)布了首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器LDC系列，這樣墻體電線位置測量問題就迎刃而解。本測量系統(tǒng)由STM32F107作為主控，LDC1000作為測量傳感器完成對墻體電線位置檢測。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　該墻體電線測量儀主要由3部分構(gòu)成。第一部分：STM32F107單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理單元。STM內(nèi)核為Cortex—M3，在最大程度減少了代碼占用空間，其體積小巧、能耗低，工作溫度范圍為-40℃到85℃(或高至105℃)，完全滿足了設(shè)計(jì)需要。選用SPI接口與LDC1000電感數(shù)字傳感器相連接;第二部分：LDC電感數(shù)字傳感器電路。LDC1000可以完成水平或垂直距離檢測，角度檢測，位移監(jiān)測，振動(dòng)檢測等。利用外接一個(gè)PCB線圈即可完成非接觸式電感檢測。

　　LDC1000并不像Q表那樣測試線圈的電感量，而是可以測試外部金屬物體及其空間位置;采用四線SPI連接方式。第三部分：LCD12864顯示單元。儀器初始化顯示和檢測結(jié)果顯示。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　墻體電線便攜式檢測儀工作的核心是正確檢測到電線的位置所在，本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)工作在于LDC電感數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)。用STM32F107的SPI口與LDC1000相連，完成金屬位置的檢測。具體連接如圖2所示。

　　在圖2中，由鋰電池供應(yīng)+5 V電壓，直接向LDC1000供+5 V電壓，經(jīng)TPS78633向STM32F107和LDC1000供應(yīng)+3.3 V電壓。采用STM32F107的SPI1與LDC相連，實(shí)現(xiàn)對LDC1000的控制。單片機(jī)的SHI1_MOSI、SPI1_MISO與LDC1000的數(shù)據(jù)輸出SDO、數(shù)據(jù)輸入SDI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成測量。單片機(jī)的SPI1_SCK提供LDC需要的時(shí)鐘信號(hào)。PD0與LDC1000的CSB相連，作為從設(shè)備使能端口。PA0與INTB相連，作為中斷輸入接口。TM2_CH2與LDC1000的TBCLK相連，作為頻率計(jì)數(shù)。LDC1000實(shí)際連接圖如圖3所示。

　　在圖3中，LDC1000的INA和INB管腳連接PCB自制的線圈L1。PCB線圈直徑為15 mm，線圈數(shù)為25圈，線圈的線寬為4 mil，線線之間的距離為4 mil。示意圖如圖4所示。LDC1000電感檢測原理是基于電磁感應(yīng)原理。在PCB線圈中加一個(gè)交流電流，線圈周圍就好產(chǎn)生交變電磁場，這時(shí)如果金屬導(dǎo)線進(jìn)入這個(gè)電磁場則會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場跟線圈的電磁場方向相反。渦流是金屬導(dǎo)線的距離的函數(shù)，基于此就可以檢測到墻體中的導(dǎo)線位置(一般導(dǎo)線放于塑料管中，且覆蓋較淺)。具體如圖4所示。

　　交變電場如果僅僅加在電感上，則在產(chǎn)生交變磁場的同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量。這是，將一個(gè)電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會(huì)損耗在LDC1000內(nèi)部Rs和R(d)上，等效電路如圖5所示，可以看出檢測到R(d)的損耗就可以間接的檢測到金屬導(dǎo)線的距離d，即可以檢測到導(dǎo)線的具體埋藏位置。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　合理設(shè)置LDC1000的RpMAx和RpMIN寄存器的值，讓Rp的實(shí)際值落在測量范圍內(nèi)，又保證足夠的精度?？梢酝ㄟ^實(shí)際測量的方法在極限的條件下測出Rp等效的最大值和最小值。將金屬物體放在離線圈最近的位置，此時(shí)渦流損壞最大，得到Rp的最大值。將金屬物體放在離線圈最遠(yuǎn)的有效距離，此時(shí)渦流最小，得到Rp的最小值。同時(shí)得到金屬物體距離與電阻變化的曲線圖如圖6所示。

　　實(shí)際軟件流程圖如圖7所示。其中是否測量和是否記錄過程由按鍵完成。

　　4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　將測量系統(tǒng)進(jìn)行封裝，沿建筑墻體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。LCD液晶屏幕可以顯示墻體電線布置方向，如水平或豎直方向，整個(gè)操作過程均是通過按鍵來完成。圖8為LDC-墻體測試儀封裝前圖片，主要給出了顯示和按鍵。按鍵采用4×4陣列按鍵，主要完成測試儀啟動(dòng)和測量記錄功能。

　　LCD12864顯示內(nèi)容含義：LDC-墻體測試儀，表示測試儀正常運(yùn)行;測量，表示由按鍵已經(jīng)啟動(dòng)測量儀;“|”表示豎直方向墻體有線纜;“-”表示水平方向有線纜。記錄均由按鍵完成。LCD12864具體顯示如圖9所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，LDC-墻體測量儀測量正確率為100%。

　　5 結(jié)束語

　　文中給出了一種測量墻體金屬導(dǎo)線的新方法，給出了具體的測量方案，并從硬件和軟件兩個(gè)方面比較詳細(xì)地介紹了該由新型電感數(shù)字傳感器LDC1000測量儀設(shè)計(jì)開發(fā)過程及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)檢測，該測量方法完全可以檢測墻體電纜線的具體位置。