電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

摘 要 不論是職業(yè)院校還是綜合性大學(xué)，開(kāi)設(shè)電工與電子技術(shù)課程或者電工電子實(shí)訓(xùn)課程中都用到電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)的教學(xué)儀器廠(chǎng)商設(shè)計(jì)制造的實(shí)驗(yàn)臺(tái)安全防護(hù)和集成度都很好，不過(guò)由于人為原因，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難免發(fā)生漏電、短路等安全問(wèn)題，有些時(shí)候操作人員疏忽離開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)忘記關(guān)閉電源，某些大功率用設(shè)備如電烙鐵忘記關(guān)閉極易發(fā)生火災(zāi)或者燒毀。這些人為因素不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來(lái)安全隱患，也危害人身安全。本文主要設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸入電源的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢(xún)和控制的安全防護(hù)裝置。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)臺(tái) 安全防護(hù) 無(wú)線(xiàn)通信 STM32

電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)在工科類(lèi)院校很常見(jiàn)，由于這門(mén)課程屬于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，所以在使用過(guò)程中，學(xué)生尚未對(duì)電工操作有太深的認(rèn)識(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)操作錯(cuò)誤引起的短路、漏電、觸電等現(xiàn)象，不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成損壞，還可能危及人身安全。在日?？蒲性O(shè)計(jì)工作過(guò)程中，教師焊接調(diào)試后也往往出現(xiàn)忘記關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源造成電烙鐵一直處于加熱狀態(tài)；精密儀器一直處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，不僅容易燒壞設(shè)備，甚至發(fā)生火災(zāi)。所以本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置在綜合以上安全隱患，從人身安全和設(shè)備安全兩個(gè)方面對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源輸入端進(jìn)行控制，分析和監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)工作電壓、工作電流；防護(hù)裝置內(nèi)部核心集成GSM模塊和Wi-Fi模塊，能夠遠(yuǎn)程查詢(xún)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作狀態(tài)，并控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源關(guān)閉和開(kāi)啟；防護(hù)裝置通過(guò)外接人體熱釋電傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有人員活動(dòng)，將啟動(dòng)報(bào)警功能，在若干時(shí)間后仍無(wú)人活動(dòng)將自動(dòng)切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源（該功能可以關(guān)閉）。

1 防護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)

防護(hù)裝置內(nèi)部核心使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407RGT6微控制器，這種微控制器基于Cortex-M4內(nèi)核，在嵌入式開(kāi)發(fā)上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，這種架構(gòu)具有更加高的性能，更加豐富的外設(shè)和更加低的功耗，由于設(shè)計(jì)中采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在與這類(lèi)模塊通信和控制方面更具高能效。雖然在一定條件下低功耗和高性能是矛盾的，但是在其核心運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以有效的對(duì)程序優(yōu)化，大大減少待機(jī)和工作功耗。

監(jiān)測(cè)電流和電壓等基礎(chǔ)參數(shù)的芯片采用ADI公司的ADE7878解決方案，電流和電壓檢測(cè)使用電流電壓互感器。ADE7878是一款高精度的三相電能計(jì)量芯片，其內(nèi)部具有7個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高精度基準(zhǔn)電壓源和三路脈沖電壓輸出，能夠測(cè)量有功、無(wú)功功率及視在功率，測(cè)量電壓、電流有效值以及電壓跌落、過(guò)電壓和過(guò)電流檢測(cè)等。

熱釋電傳感器處理芯片采用CS9803，熱釋電傳感器加菲涅爾透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其前方4-10米左右范圍內(nèi)的人體信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，需要注意的是，冬季低溫環(huán)境中檢測(cè)距離可能縮短。

在無(wú)線(xiàn)通信方面，防護(hù)裝置內(nèi)部控制核心和Wi-Fi模塊以及GSM模塊通過(guò)串行通信方式與STM32F407RGT6相連接，且供電電源都是3.3V，無(wú)需額外供電模塊。

防護(hù)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由直流繼電器構(gòu)成，上電后繼電器閉合電源接通，用戶(hù)操作或者自動(dòng)切斷電源時(shí)，繼電器斷開(kāi)電源關(guān)閉。因?yàn)樯婕暗捷斎腚娫吹谋O(jiān)測(cè)，所以考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)頻繁開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)防護(hù)裝置造成的干擾，本設(shè)計(jì)采用隔離電源模塊，能夠有效的抗電磁干擾。

2 防護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

在STM32F407中運(yùn)行μc-OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)ADE7878進(jìn)行控制和讀取，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流等數(shù)據(jù)，防止過(guò)壓、過(guò)流、漏電發(fā)生，所以這部分的時(shí)間資源分配需要多一些，保證實(shí)時(shí)性；而對(duì)人體紅外熱釋電檢測(cè)則不要求那么高的實(shí)時(shí)性，每1秒-5秒檢測(cè)一次即可；對(duì)Wi-Fi和GSM模塊控制和接收也不要求過(guò)高的實(shí)時(shí)性，保證Wi-Fi始終保持握手不斷線(xiàn)即可（實(shí)際測(cè)試中需要每12小時(shí)重啟初始化一次保證可靠性）。

防護(hù)裝置的防護(hù)思想是，實(shí)驗(yàn)臺(tái)通電之后，該防護(hù)裝置立刻工作，Wi-Fi模塊自動(dòng)搜索并加入已經(jīng)連接過(guò)的網(wǎng)絡(luò)，GSM模塊工作，人體熱釋電傳感器檢測(cè)不工作，內(nèi)部核心開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到2個(gè)小時(shí)后，人體熱釋電傳感器開(kāi)始工作檢測(cè)環(huán)境是否有人體活動(dòng)，如果半小時(shí)后仍無(wú)活動(dòng)，報(bào)警10分鐘后通過(guò)繼電器切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源；當(dāng)用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查詢(xún)實(shí)驗(yàn)臺(tái)處于工作狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)APP應(yīng)用切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，但是無(wú)法遠(yuǎn)程啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源；當(dāng)用戶(hù)通過(guò)GSM模塊遠(yuǎn)程向防護(hù)裝置發(fā)送指令時(shí)，可以切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，但是無(wú)法遠(yuǎn)程啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。

3 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

當(dāng)使用非隔離電源，一種線(xiàn)性低壓差電源給防護(hù)裝置供電時(shí)容易發(fā)生誤觸發(fā)現(xiàn)象，即實(shí)驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)大功率設(shè)備時(shí)，會(huì)發(fā)生切斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的現(xiàn)象，通過(guò)使用混合信號(hào)示波器記錄各個(gè)信號(hào)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，大功率設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉會(huì)影響防護(hù)裝置，更換為隔離電源后一切正常。實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)Wi-Fi模塊工作12小時(shí)后容易發(fā)生不穩(wěn)定情況，所以為了穩(wěn)定考慮，每隔12小時(shí)重啟初始化一次Wi-Fi模塊。在冬季低溫環(huán)境中，人體熱釋電傳感器的檢測(cè)距離縮短，正常室溫環(huán)境中10米可檢測(cè)在冬季低溫環(huán)境下只有不到5米。所以該防護(hù)裝置不能用于低于0℃的環(huán)境中。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種防護(hù)裝置可以有效的監(jiān)測(cè)電流電壓，而且用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行切斷電源控制，有效的保護(hù)了設(shè)備安全，更降低了對(duì)人身安全造成的危害。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132102endprint