電工電子實驗臺安全防護裝置設計

摘 要 不論是職業院校還是綜合性大學，開設電工與電子技術課程或者電工電子實訓課程中都用到電工電子實驗臺，目前國內的教學儀器廠商設計制造的實驗臺安全防護和集成度都很好，不過由于人為原因，在實驗過程中難免發生漏電、短路等安全問題，有些時候操作人員疏忽離開實驗臺忘記關閉電源，某些大功率用設備如電烙鐵忘記關閉極易發生火災或者燒毀。這些人為因素不僅對實驗設備帶來安全隱患，也危害人身安全。本文主要設計一種實時監測實驗臺輸入電源的各項參數，對實驗臺進行遠程查詢和控制的安全防護裝置。

【關鍵詞】實驗臺 安全防護 無線通信 STM32

電工電子實驗臺在工科類院校很常見，由于這門課程屬于專業基礎課，所以在使用過程中，學生尚未對電工操作有太深的認識，經常出現操作錯誤引起的短路、漏電、觸電等現象，不僅對實驗設備造成損壞，還可能危及人身安全。在日常科研設計工作過程中，教師焊接調試后也往往出現忘記關閉實驗臺電源造成電烙鐵一直處于加熱狀態；精密儀器一直處于開機狀態，不僅容易燒壞設備，甚至發生火災。所以本設計的防護裝置在綜合以上安全隱患，從人身安全和設備安全兩個方面對電工電子實驗臺的電源輸入端進行控制，分析和監測實驗臺的實時工作電壓、工作電流；防護裝置內部核心集成GSM模塊和Wi-Fi模塊，能夠遠程查詢當前實驗臺的工作狀態，并控制實驗臺的電源關閉和開啟；防護裝置通過外接人體熱釋電傳感器對實驗室內部進行檢測，當一定時間內實驗室沒有人員活動，將啟動報警功能，在若干時間后仍無人活動將自動切斷實驗臺電源（該功能可以關閉）。

1 防護裝置的硬件結構

防護裝置內部核心使用意法半導體公司的STM32F407RGT6微控制器，這種微控制器基于Cortex-M4內核，在嵌入式開發上具有非常明顯的優勢，這種架構具有更加高的性能，更加豐富的外設和更加低的功耗，由于設計中采用無線通信技術，在與這類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，但是在其核心運行實時操作系統，可以有效的對程序優化，大大減少待機和工作功耗。

監測電流和電壓等基礎參數的芯片采用ADI公司的ADE7878解決方案，電流和電壓檢測使用電流電壓互感器。ADE7878是一款高精度的三相電能計量芯片，其內部具有7個模數轉換器、高精度基準電壓源和三路脈沖電壓輸出，能夠測量有功、無功功率及視在功率，測量電壓、電流有效值以及電壓跌落、過電壓和過電流檢測等。

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現對其前方4-10米左右范圍內的人體信號進行檢測，需要注意的是，冬季低溫環境中檢測距離可能縮短。

在無線通信方面，防護裝置內部控制核心和Wi-Fi模塊以及GSM模塊通過串行通信方式與STM32F407RGT6相連接，且供電電源都是3.3V，無需額外供電模塊。

防護裝置的執行機構是由直流繼電器構成，上電后繼電器閉合電源接通，用戶操作或者自動切斷電源時，繼電器斷開電源關閉。因為涉及到輸入電源的監測，所以考慮實驗臺頻繁開關設備對防護裝置造成的干擾，本設計采用隔離電源模塊，能夠有效的抗電磁干擾。

2 防護裝置的軟件設計

在STM32F407中運行μc-OS實時操作系統，對ADE7878進行控制和讀取，實時監測電壓、電流等數據，防止過壓、過流、漏電發生，所以這部分的時間資源分配需要多一些，保證實時性；而對人體紅外熱釋電檢測則不要求那么高的實時性，每1秒-5秒檢測一次即可；對Wi-Fi和GSM模塊控制和接收也不要求過高的實時性，保證Wi-Fi始終保持握手不斷線即可（實際測試中需要每12小時重啟初始化一次保證可靠性）。

防護裝置的防護思想是，實驗臺通電之后，該防護裝置立刻工作，Wi-Fi模塊自動搜索并加入已經連接過的網絡，GSM模塊工作，人體熱釋電傳感器檢測不工作，內部核心開始計時，當計時時間到2個小時后，人體熱釋電傳感器開始工作檢測環境是否有人體活動，如果半小時后仍無活動，報警10分鐘后通過繼電器切斷實驗臺電源；當用戶通過網絡遠程查詢實驗臺處于工作狀態時，可以通過APP應用切斷實驗臺電源，但是無法遠程啟動實驗臺電源；當用戶通過GSM模塊遠程向防護裝置發送指令時，可以切斷實驗臺電源，但是無法遠程啟動實驗臺電源。

3 測試結果及結論

當使用非隔離電源，一種線性低壓差電源給防護裝置供電時容易發生誤觸發現象，即實驗臺啟動大功率設備時，會發生切斷實驗臺電源的現象，通過使用混合信號示波器記錄各個信號的過程中，發現當干擾發生時，大功率設備的啟動和關閉會影響防護裝置，更換為隔離電源后一切正常。實際測試中發現Wi-Fi模塊工作12小時后容易發生不穩定情況，所以為了穩定考慮，每隔12小時重啟初始化一次Wi-Fi模塊。在冬季低溫環境中，人體熱釋電傳感器的檢測距離縮短，正常室溫環境中10米可檢測在冬季低溫環境下只有不到5米。所以該防護裝置不能用于低于0℃的環境中。

經過長時間實際測試發現，這種防護裝置可以有效的監測電流電壓，而且用戶可以通過互聯網或者GSM網絡對實驗臺進行切斷電源控制，有效的保護了設備安全，更降低了對人身安全造成的危害。

參考文獻

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[3]龍吉.負載識別控制器的設計[J].中小企業管理與科技，2016（03）.

作者單位

吉林化工學院 吉林省吉林市 132102endprint