人體感應斷電保護系統(tǒng)＊

李阿標，高 華

（安徽三聯(lián)學院，安徽 合肥 230601）

隨著社會經濟的快速發(fā)展，越來越多的家用電器設備出現(xiàn)在人們的生活中，為人們的生活和工作提供便利的同時，也推動了社會經濟的發(fā)展。但在使用這些家用電器的同時，也存在著許多潛在的危險，生活中因電器設備所發(fā)生的觸電事故也時有發(fā)生。那么當人們在生活中觸電時，如何實現(xiàn)自動斷電保護呢？

為了應對觸電事故的發(fā)生，研究了人體感應斷電保護系統(tǒng)，當人體觸電時此系統(tǒng)可以在最短的時間內自動斷開電路，實現(xiàn)斷電保護的作用，以保護觸電人體的安全。在人體感應斷電保護裝置方面的研究中，目前國內的研究現(xiàn)狀大多是針對工業(yè)生產中的斷電保護和專門針對某種電器設備而進行的觸電保護設計。對于工業(yè)生產中的斷電保護，其設備要求等更加工業(yè)化，需要達到工業(yè)級別。本文研究的人體感應斷電保護系統(tǒng)設計主要用于家庭生活中，其不僅可以針對不同的電器設備觸電情況，也包括在生活中由于電線老化、誤觸插座等導致其他觸電情況時進行斷電保護，具有普遍適用性。

1 系統(tǒng)裝置工作總體流程

在整個系統(tǒng)結構中，首先是對單片機的工作狀態(tài)和裝置的初始化進行設置，然后通過連接的人體紅外感應傳感器和電流檢測器采集檢測信號，將電流檢測器采集的檢測信號通過A/D 轉換為數(shù)字量，傳輸給主控單片機，單片機對轉換器數(shù)據(jù)輸出口送來的數(shù)字量數(shù)據(jù)進行存儲，并根據(jù)所設定的閾值，進行控制繼電器通斷電，從而構成繼電器切斷保護電路。

檢測電路通過互感器與本裝置進行連接，通過單片機控制進行測試。當人體紅外傳感器檢測到有人，且電流檢測器檢測的電流發(fā)生變化時，說明有人觸電。此時將檢測信號輸送給單片機，單片機通過控制繼電器，使繼電器切斷電路，達到觸電保護的目的。

2 系統(tǒng)設計思路

根據(jù)人體感應斷電保護系統(tǒng)裝置工作的總體流程，得出思路流程簡圖，如圖1 所示。

圖1 人體感應斷電保護系統(tǒng)思路流程簡圖

該系統(tǒng)以單片機為主要控制模塊，并結合人體紅外傳感器模塊、電路檢測模塊、A/D 轉換模塊、繼電器裝置模塊進行工作。

本裝置首先利用人體紅外感應傳感器進行掃描檢測，當檢測到有人時，人體紅外傳感器將輸出的數(shù)字量檢測信號傳送至單片機管腳，單片機通過控制管腳為輸入模式接收該信號并檢測各模塊運作情況，通過控制電流檢測模塊對電路的電流、電壓進行檢測[1]。當人體觸電時，電流檢測模塊將電路中檢測的電流、電壓進行模數(shù)轉換并通過管腳傳送給單片機。單片機將接收到信號與所設定的閾值進行比較，若超出該閾值范圍，則單片機控制繼電器作為自動開關，實現(xiàn)繼電器對電路的自動斷開，以保障人體在觸電時及時斷電保護。

3 系統(tǒng)各模塊設計

3.1 單片機控制模塊

在該系統(tǒng)中，STC89C51 被選為模塊的控制芯片，其具有強大的位操作功能，可以解決I/O 端口，1 個可編程全雙工串行通信接口，2 個16 位定時/計數(shù)器，4 KB 程序內存，258 B 數(shù)據(jù)內存，64 KB 擴展總線控制電路、4 個8 位可編程并行I/O 端口，5 個中斷源和1 個時鐘電路。此外，對于51 單片機的開發(fā)利用中，定時器中斷、外部中斷等開發(fā)程序方便使用，并且51系列單片機價格低廉。

在使用51 單片機控制時，通常使用51 單片機的最小系統(tǒng)，包括電源電路，晶振電路和復位電路。

電源電路一般有5 V 直流電源為單片機的40 號管腳VCC 進行供電，20 號管腳接電源負極，構成電源回路，提供單片機的工作電源。

晶振電路在51 類型的單片機最小系統(tǒng)中，一般是由有20 pF 電容和12 MHz 晶振元件構成電路，晶振通過電容振蕩提供起振條件并維持，為單片機正常工作提供基準信號。

單片機的復位電路通常情況下可以通過3 種方式對單片機進行復位：通過復位按鍵復位即通過按下外界單片機復位管腳的按鍵進行復位，上電復位即通過手動接通電源進行復位，通過編寫復位程序使單片機運行程序時實現(xiàn)復位。在使用最小系統(tǒng)板時，通常情況下都是通過按下外接單片機復位管腳的按鍵，或者直接接通電源上電復位。

3.1.1 單片機控制繼電器原理

一般來說，單片機控制繼電器有2 種方式：第一種是單片機—三極管（PNP）—繼電器，第二種是單片機—光耦—三極管（NPN）—繼電器。第二種采用光電隔離方式，其抗干擾能力比第一種更強。第一種采用PNP 型控制邏輯方式，由低電平觸發(fā)控制邏輯進行工作，可以有效防止單片機復位時出現(xiàn)其他故障。第二種為了方便控制，但也遵循第一種的控制邏輯，該系統(tǒng)由三極管控制[2]。

在實物測試中，繼電器的使用相當于一個開關，繼電器端口又分為常開端和常閉端。根據(jù)所連接的常開端和常閉端的不同，單片機在控制繼電器時分為高電平觸發(fā)方式和低電平觸發(fā)方式，需要通過調整繼電器所連接管腳輸出的高低電平來實現(xiàn)對繼電器斷開和閉合的控制，從而實現(xiàn)對電路的切斷與連接。

3.1.2 單片機對信息處理原理

由于該裝置使用的人體紅外感應模塊為數(shù)字傳感器，即可以直接輸出數(shù)字信號1 或0。單片機I/O 口在輸入模式下，接收人體紅外傳感器輸出的數(shù)字信號為1或0，并通過條件語句結合判斷執(zhí)行不同的操作。對于電路檢測元件檢測的電路中電流的變化量輸出為模擬量，單片機需要外接A/D 轉換器將電路檢測元件所輸出的模擬量轉換為數(shù)字量，并傳送給單片機。單片機在接收到數(shù)字信號后即可對其進行控制。

單片機在接收到人體紅外感應傳感器和電流檢測元件處理后的信號時，通過條件語句和判斷語句綜合判斷人體紅外信號和電流檢測信號是否在其范圍內，從而控制繼電器進行相應的操作。當人體紅外傳感器檢測到人體時，單片機控制繼電器使電路閉合；當人體紅外傳感器檢測到有人，并且電流檢測元件檢測的電流變化超出所設置的閾值范圍時，即代表有人觸電，單片機控制繼電器電路為斷開狀態(tài)，對人體進行斷電保護。

3.2 人體紅外感應模塊

對于人體紅外感應模塊，直接使用人體紅外傳感器對其一定范圍內的物體的存在做出一定的響應，無論人是移動的還是靜止的，只要落在紅外傳感器掃描探測范圍內，人體紅外傳感器就會進行不斷地掃描檢測，并將掃描結果通過輸出引腳傳送至單片機所連接的傳感器管腳，并控制該管腳做出相應的響應。

在實物測試中，該系統(tǒng)的人體紅外感應檢測模塊采用HC-SR501 人體紅外傳感器。該傳感器是一種采用紅外技術的自動控制模塊。它適用于許多自動化感應設備，靈敏度高、可靠性強及超低電壓工作模式。并且該人體紅外感應傳感器為數(shù)字傳感器，輸出只有高低電平即輸出信號只有0 和1。當人體進入傳感器的傳感檢測范圍內時，輸出高電平；當人體離開傳感檢測范圍內時，通過延時一段時間后自動輸出低電平。在通過單片機的控制中，人體紅外感應模塊輸出的高低電平，可直接被單片機管腳所捕獲。對于該傳感器，其所能感應的距離范圍、靈敏度等都可以根據(jù)現(xiàn)場不同的環(huán)境進行調節(jié)，進而可以適應于不同的場所，發(fā)揮出更好的作用進行斷電保護。

3.3 電流檢測模塊

電流檢測模塊主要采用ACS712 電流傳感器采集及檢測由銅電流通路和精密低線性霍爾元件傳感器電路組成的電路中的電流[3]。被測電流通過通道，內阻小、功耗低。電路電流由銅構成，電流經過A/D 轉換后由單片機發(fā)送。根據(jù)電流產生的磁場感應芯片中的霍爾IC。這種比例電壓變換器可以消除誤差[4]。

在該系統(tǒng)實物測試中可直接購買由ACS712 電流傳感器芯片所構成的電流檢測模塊。該模塊通過5 V直流供電，有3 個管腳，分別為VCC、GND、OUT。根據(jù)不同的應用場景可選擇測量不同量程的模塊，輸出的也對應其不同的模擬量值，當該模塊中沒有通過檢測電流時，其輸出引腳的電壓為VCC/2。該電流檢測模塊由于是利用霍爾元件檢測的電路原理進行設計，所以當其工作環(huán)境存在一定的磁場時，會對該元件造成相應的干擾，故應使用在生活中無磁場的場合。在居家生活使用中，完全可以近似為無磁場的場合，所以此電流傳感器完全可以用于家庭生活中。

3.4 A/D 轉換模塊

由于人體感應斷電保護系統(tǒng)可對生活中觸電的人們進行斷電保護，因此在電路中為了保證對所采集的電流、電壓的處理更加準確，使人們能夠更加安全用電，即采用分辨率位數(shù)較高的16 位AD7606 模數(shù)轉換模塊[5]。AD7606 是一個8 通道16 位的雙列直插封裝的A/D 轉換器。方便適用于TTL 或CMOS 接口，內置時鐘發(fā)生器，能夠滿足一定的差分電壓輸入，具有參考電壓輸入端。

當使用該模塊時應盡量保證供電電壓和輸入信號電壓不要超過一定的范圍，并且為了保證該模塊能更加精準地進行測量，所以需要采用線性電源進行供電，且信號線不易過長，以免引入噪聲而導致采樣精度下降。對于供電問題，可以通過單片機進行實時控制顯示其電壓并給該模塊進行供電；對于一些外界的噪聲干擾問題，可以通過在編寫單片機控制程序時加入相關的濾波算法，對所采集的信號進行濾波，以盡量削減噪聲的干擾，使其可以更好地發(fā)揮作用。

3.5 繼電器模塊

繼電器[1]是一種控制系統(tǒng)與被控系統(tǒng)進行配合以實現(xiàn)一定功能的電子控制裝置。它是一種用小電流控制電路中大電流的自動控制裝置開關，被廣泛應用于電力保護、自動控制等領域。在電路中具有自動調節(jié)和安全保護功能。繼電器模塊在人們的日常生活中較為常見。

在普遍使用的繼電器中，其輸入電壓要求小于等于36 V。繼電器的使用觸發(fā)端分別為信號觸發(fā)端及外接直流電源正負極端口。接入端連接回路中，分為常開端和常閉端，它們組合成一個單刀雙擲的開關，通過不同的觸發(fā)方式，吸合不同的接觸端實現(xiàn)不同信號的觸發(fā)。根據(jù)所接的繼電器的常開端和常閉端的不同，單片機管腳所發(fā)出的控制其通斷的高低信號也不同。通過單片機管腳輸出的小信號電流來控制繼電器所接的電路中的大電流，是繼電器的主要優(yōu)勢之一。

4 結論

在人體感應斷電保護系統(tǒng)的設計中，結合人體紅外傳感器、電流檢測模塊、A/D 轉換模塊、繼電器模塊等實現(xiàn)了當人們在生活中不幸觸電時自動斷電的功能。該裝置不僅局限于針對某個家用電器設備，可以應用在家庭生活等各個用電場所，具有一定的先進性和普遍適應性，并且具有較強的控制力，可以更好地控制電路，進而更好地保護人們的安全。