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基于LDC1000电感数字传感器的墙体电线位置测量仪设计

2019-06-24 14:38 作者:本站作者 来源:网络整理 次阅读

基于LDC1000电感数字传感器的墙体电线位置测量仪设计

  一般工程中,当建筑实体建好后,很多基础设施就随之而完成。其中,包括用户用电线路铺设。而在二次装修或做弱电线路二次铺设时,需要避开墙体中220 V电线。多数二次施工过程铺设线路时,均靠工人师傅的经验完成。还有,老旧建筑物电线故障查询时,也需要进行墙体电线探测。文中基于以上需求,研制简易轻便的墙体电线测量仪。2013年,我们制作一台三合板背面电线探测仪,当时使用是漆包线缠绕而成的笨重大电感完成的检测,虽能完成检测,但仪器很笨拙。而当2013年TI公司发布了首款电感数字转换器LDC系列,这样墙体电线位置测量问题就迎刃而解。本测量系统由STM32F107作为主控,LDC1000作为测量传感器完成对墙体电线位置检测。

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  1 系统设计方案

  该墙体电线测量仪主要由3部分构成。第一部分:STM32F107单片机的数据采集与处理单元。STM内核为Cortex—M3,在最大程度减少了代码占用空间,其体积小巧、能耗低,工作温度范围为-40℃到85℃(或高至105℃),完全满足了设计需要。选用SPI接口与LDC1000电感数字传感器相连接;第二部分:LDC电感数字传感器电路。LDC1000可以完成水平或垂直距离检测,角度检测,位移监测,振动检测等。利用外接一个PCB线圈即可完成非接触式电感检测。

  LDC1000并不像Q表那样测试线圈的电感量,而是可以测试外部金属物体及其空间位置;采用四线SPI连接方式。第三部分:LCD12864显示单元。仪器初始化显示和检测结果显示。系统方案框图如图1所示。

  

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  2 系统硬件设计

  墙体电线便携式检测仪工作的核心是正确检测到电线的位置所在,本系统的主要设计工作在于LDC电感数字传感器的设计。用STM32F107的SPI口与LDC1000相连,完成金属位置的检测。具体连接如图2所示。

  

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  在图2中,由锂电池供应+5 V电压,直接向LDC1000供+5 V电压,经TPS78633向STM32F107和LDC1000供应+3.3 V电压。采用STM32F107的SPI1与LDC相连,实现对LDC1000的控制。单片机的SHI1_MOSI、SPI1_MISO与LDC1000的数据输出SDO、数据输入SDI进行数据交互,完成测量。单片机的SPI1_SCK提供LDC需要的时钟信号。PD0与LDC1000的CSB相连,作为从设备使能端口。PA0与INTB相连,作为中断输入接口。TM2_CH2与LDC1000的TBCLK相连,作为频率计数。LDC1000实际连接图如图3所示。

  

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  在图3中,LDC1000的INA和INB管脚连接PCB自制的线圈L1。PCB线圈直径为15 mm,线圈数为25圈,线圈的线宽为4 mil,线线之间的距离为4 mil。示意图如图4所示。LDC1000电感检测原理是基于电磁感应原理。在PCB线圈中加一个交流电流,线圈周围就好产生交变电磁场,这时如果金属导线进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流。涡流电流跟线圈电流方向相反,涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属导线的距离的函数,基于此就可以检测到墙体中的导线位置(一般导线放于塑料管中,且覆盖较浅)。具体如图4所示。

  

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  交变电场如果仅仅加在电感上,则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这是,将一个电容并联在电感上,由于LC的并联谐振作用能量损耗大大减小,只会损耗在LDC1000内部Rs和R(d)上,等效电路如图5所示,可以看出检测到R(d)的损耗就可以间接的检测到金属导线的距离d,即可以检测到导线的具体埋藏位置。

  

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  3 系统软件设计

  合理设置LDC1000的RpMAx和RpMIN寄存器的值,让Rp的实际值落在测量范围内,又保证足够的精度。可以通过实际测量的方法在极限的条件下测出Rp等效的最大值和最小值。将金属物体放在离线圈最近的位置,此时涡流损坏最大,得到Rp的最大值。将金属物体放在离线圈最远的有效距离,此时涡流最小,得到Rp的最小值。同时得到金属物体距离与电阻变化的曲线图如图6所示。

  

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  实际软件流程图如图7所示。其中是否测量和是否记录过程由按键完成。

  

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  4 实验验证

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