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2013年全国大学生电子设计竞赛简易照明线路探测仪（K题）【专科组】2013年9月7日III简易照明线路探测仪（K题）【专科组】 【摘要】本简易照明线路探测仪的设计是根据通电导线在其周围产生磁场的情况下，利用探测其磁场的方法，通过对通电导线所产生的磁场使探测磁头产生电压，对此探头电压进行采样放大，使其输出一定大小的波形，通过驱动蜂鸣器示意，从而达到对通电线缆的探测。该系统能够对60W白炽灯和11W节能灯通电导线所产生的微弱磁场进行探测，从而达到对带电线缆的扫描、记录带电线缆的走向。在探测结束后，该系统保存线缆位置方格序号，而且在必要时候能够随时查阅线缆位置走向。而且该系统对没有带电线缆走过的位置，探测仪不对地球磁场所产生的影响使系统产生误报，从而可以准确达到了检测指定位置是否有带电线缆，是理想的简易照明线路探测仪。 【关键词】照明线路； 磁场；探测仪Abstract the design of simple lighting circuit detector is based on the electrical wire in electric current produces a magnetic field principle, using the method of detecting the magnetic field, by which produces to the electrified wire magnetic field makes the detection head generates a voltage, this voltage sampling probe amplification, so that the output of a certain size by driving waveform, buzzer hint, so as to achieve the detection of power cable. The system is capable of weak magnetic field generated by the 60W lamp and 11W lamp wire to detect, so as to achieve the charged cable scanning, recording live cable. In the end position detection, cable box number to save the system, but also can access at any time to cable position when necessary. And the system of no electric cable through the position, effect of the earths magnetic field detector does not generate false positives generated by the system, which can accurately reach the designated position detection whether charged cable, is a simple lighting circuit ideal detector.【关键词】照明线路、磁场、探测仪keyword lighting circuit； magnetic field； detector目 录1 系统设计要求.1 1.1 任务.1 1.2 设计相关要求.12 系统方案论证与选择.2 2.1 控制模块. . . .2 2.2显示回放模块.3 2.3 探测模块.33系统理论分析与计算.4 3.1系统传感器的选用分析.4 3.1.1传感器.4 3.1.2霍尔传感器.4 3.1.3磁阻效应法.4 3.2原理计算.44系统电路与程序设计.5 4.1电路的设计.5 4.1.1 系统总体框图.5 4.1.2 探测子系统框图与蜂鸣器电路图.5 4.1.3 键盘输入子系统与显示电路原理图.6 4.1.4 电源.与单片机最小系统.7 4.2 程序的设计.7 4.2.1程序功能描述.7 4.2.2程序流程图.85测试方案与测试结果.9 5.1测试方案.9 5.2测试条件与仪器.9 5.3测试结果及分析.9 5.3.1测试结果(数据).9 5.4测试分析与结论.106 结论与展望.10参考文献：.10附录：.11附录1：电路原理图.11附录2：源程序.12简易照明线路探测仪（K题）【专科组】1系统设计要求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5mm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1所示。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77方格组成的区域内根据需要任意调整。如图1所示。图1 布线示意图1.1 任务关闭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，2分钟之内探测到带电电缆时予以蜂鸣示意。探测结束后，探测仪回放显示带电电缆位置的方格号序列。1.2设计相关要求 1.2.1 基本要求 （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。（2）要求2分钟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。1.2.2 发挥部分 （1）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。（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分钟内准确探测出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分钟内准确探测出5个指定位置是否有60W白炽灯带电电缆。（4）其他。2系统方案论证与选择根据题目要求，系统可以划分为电源部分、探测部分、控制部分和显示部分。其中信号检测部分主要完成通电与不同线路检测。显示部分包括：蜂鸣器模块、显示模块。系统模块框图如图2所示。图2 系统模块图为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。2.1 控制模块方案一：选用PIC、AVR或凌阳SPCE061A等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对系统的控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高。方案二：采用80C51单片机作为系统控制器方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。综上所述，采用方案二。2.2 显示回放模块方案一：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示时间，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：使用数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。综上所述， 采用方案二。2.3 探测模块 根据通电导线在通电电流产生磁场的原理下，利用探测其磁场的方法。有如下方案可以选择。方案一：利用线圈探测。根据磁生电的原理，通过改变线圈匝数来改变产生电动势的大小来检测带电导体所产生的磁场，从而达到检测带电导体。但是由于要探测带电导体所产生的比地球磁场还小的微弱磁场，因此在移动的过程中容易产生误报。方案二：利用磁场传感器。磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。综合以上方案，选择方案二。经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）电源模块： 5V直流电源（2）控制模块：采用80C51单片机（3）探测模块：采用磁场传感器（4）显示模块：使用数码管显示（）蜂鸣器模块：使用有源蜂鸣器3系统理论分析与计算3.1 系统传感器的选用分析 3.1.1 传感器传感器是磁场计的关键部分，其性能直接决定仪器的基本测试精度、线性度和测量范围。而工频交流电线路产生的磁场强度属于低强度磁场，比地磁场(05-06高斯)小得多，并且地磁场的微弱变化均比低强度磁场传感器测量范围大，因此在低强度磁场传感器的设计中必须充分考虑并抵消这种影响。3.1.2 霍尔传感器霍尔效应特斯拉计对均匀、恒定磁场测量的准确度一般在5%0.5%，高精度的测量准确度可以达到0.05%。但对磁体表面的非均匀磁场的测量就谈不上准确度了。往往是不同的仪表，或同型号的仪表，不同的探头，或同一支探头的不同侧面。去测量同一磁体表面，同一位置(应该说看上去是同一位置)的磁场时，显示的结果大不一样，误差可以超过20%，甚至50%。霍尔的测量范围是几十mT。3.1.3 磁阻效应法利用半导体材料（InSb， 或 InAs）的电阻大小随磁场变化的特性。相应的产品有普通磁阻、各向异性磁阻AMR、以及巨磁磁阻GMR。通过电桥电路，磁阻的变化即可转换为电压或电流输出。磁阻元件和霍尔元件相似，成本价格低，便于大量使用。但通常，AMR 和GMR 有比霍尔元件更高的灵敏度，更适宜于弱磁场的检测。比较以上两种方案，选择方案磁阻效应法。3.2原理计算 一段载流I、长为L的直导线的磁场为： 磁场的方向与电流方向构成右手螺旋关系。上式中为场点到载流直导线的垂直距离，和分别为导线的电流流入端和流出端电流元与矢径之间的夹角。无限长直线载流导线的磁场为：（即：当0，时） 。 磁场的方向与电流方向构成右手螺旋关系。公式中真空磁导率为410-7，距离a为0.01米，电流根据灯泡的功率计算，最终估算理想状态导线周围靠近1厘米的位置的磁感应强度为5.5T（一般地球磁场为50T），所以该磁场属于低强度磁场。4系统电路与程序设计4.1电路的设计4.1.1系统总体框图系统总体模块框图如图2所示。该系统是根据通电导线在其周围产生磁场的情况下，利用探测其磁场的方法，通过对通电导线所产生的磁场使探测磁头产生电压，对此探头电压进行采样放大，使其输出一定大小的波形，通过驱动蜂鸣器示意，从而达到对通电线缆的探测。4.1.2 探测子系统框图与蜂鸣器电路图1、 探测子系统原理图 探测子系统原理图如图3所示。图3 探测子系统原理图2、 蜂鸣器子系统电路 蜂鸣器电路原理如图4所示。图4 蜂鸣器电路原理4.1.3 键盘输入子系统与显示电路原理图1、 键盘输入子系统电路 键盘输入原理如图5所示。图5 键盘输入原理图2、 显示电路原理图 显示电路原理图如图6所示。图6 显示电路原理图4.1.4电源与单片机最小系统电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。单片机最小系统如图7所示。图7 单片机最小系统4.2程序的设计4.2.1程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。（1）键盘实现功能：包含44行列式键盘，以及4位LED数码管显示，能够实现对探测线路的记录输入和利用功能键回放记录。 （2）、显示部分：显示数字字符，字符代表是否有带电线缆。4.2.2程序流程图程序流程图如图4-2所示。图4.2 程序流程图5测试方案与测试结果5.1测试方案根据通电导线在通电电流产生磁场的原理下，利用探测其磁场的方法，通过对通电导线所产生的磁场使探测磁头产生电压，对此探头电压进行采样放大，使其输出一定大小的波形，通过驱动蜂鸣器示意，从而达到对通电线缆的探测。测试过程如下：1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调5.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，信号发生器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。5.3 测试结果及分析5.3.1测试结果(数据)随机测试某方格时的信号测试结果如下表所示（其中1表示有探测到线缆，0表示没有探测到线缆）： 测试次数测试结果显示1101102110003000114011005011106111107010008111019011001010011111101112011005.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，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，由此可以得出以下结论：1、系统能够对带电线缆的扫描、探测并记录带电线缆的走向。2、探测结束后，系统能够回放显示带电电缆位置的方格号序列。3、系统能够准确检测指定位置是否有带电线缆。综上所述，本设计达到设计要求。6 结论与展望本系统的设计是根据通电导线在通电电流产生磁场的原理下，利用探测其磁场的方法，通过对通电导线所产生的磁场使探测磁头产生电压，对此探头电压进行采样放大，使其输出一定大小的波形，通过驱动蜂鸣器示意，从而达到对通电线缆的探测。该系统能够对60W白炽灯和11W节能灯通电导线所产生的微弱磁场进行探测，从而达到对带电线缆的扫描、记录带电线缆的走向。在探测结束后，该系统保存线缆位置方格序号，而且在必要时候能够随时查阅线缆位置走向。而且该系统对没有带电线缆走过的位置，探测仪不对地球磁场所产生的影响使系统产生误报，从而可以准确达到了检测指定位置是否有带电线缆，是理想的简易照明线路探测仪。当今社会，科学技术日新月异，信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，时代前进的步伐越迈越宽，虽然这是人类科技的进步，但是对于我们大学生，触动还是很大的，我们也希望依靠我们的智慧和毅力，对于人工智能慢慢的研究，而此全国大学生电子设计竞赛则给了我们很好的机会。参考文献1 马忠梅，籍顺心，张凯等.单片机的C语言应用程序设计M.北京航空航天大学出版社，2006.2 张毅刚，彭喜元，董继成.单片机原理及应用M.高等教育出版社，2003.3 高吉祥，黄智伟，丁文霞. 数字电子技术M.电子工业出版社，2003. 4 谢