摘 要 不論是職業(yè)院校還是綜合性大學(xué)，開設(shè)電工與電子技術(shù)課程或者電工電子實訓(xùn)課程中都用到電工電子實驗臺，目前國內(nèi)的教學(xué)儀器廠商設(shè)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(fā)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(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實驗設(shè)備帶來安全隱患，也危害人身安全。本文主要設(shè)計一種實時監(jiān)測實驗臺輸入電源的各項參數(shù)，對實驗臺進行遠程查詢和控制的安全防護裝置。

【關(guān)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(yè)基礎(chǔ)課，所以在使用過程中，學(xué)生尚未對電工操作有太深的認(rèn)識，經(jīng)常出現(xiàn)操作錯誤引起的短路、漏電、觸電等現(xiàn)象，不僅對實驗設(shè)備造成損壞，還可能危及人身安全。在日?？蒲性O(shè)計工作過程中，教師焊接調(diào)試后也往往出現(xiàn)忘記關(guān)閉實驗臺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機狀態(tài)，不僅容易燒壞設(shè)備，甚至發(fā)生火災(zāi)。所以本設(shè)計的防護裝置在綜合以上安全隱患，從人身安全和設(shè)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(jiān)測實驗臺的實時工作電壓、工作電流；防護裝置內(nèi)部核心集成GSM模塊和Wi-Fi模塊，能夠遠程查詢當(dāng)前實驗臺的工作狀態(tài)，并控制實驗臺的電源關(guān)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(nèi)部進行檢測，當(dāng)一定時間內(nèi)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(guān)閉）。

1 防護裝置的硬件結(jié)構(gòu)

防護裝置內(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，在嵌入式開發(fā)上具有非常明顯的優(yōu)勢，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)計中采用無線通信技術(shù)，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(tǒng)，可以有效的對程序優(yōu)化，大大減少待機和工作功耗。

監(jiān)測電流和電壓等基礎(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(nèi)部具有7個模數(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(xiàn)對其前方4-10米左右范圍內(nèi)的人體信號進行檢測，需要注意的是，冬季低溫環(huán)境中檢測距離可能縮短。

在無線通信方面，防護裝置內(nèi)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(zhí)行機構(gòu)是由直流繼電器構(gòu)成，上電后繼電器閉合電源接通，用戶操作或者自動切斷電源時，繼電器斷開電源關(guān)閉。因為涉及到輸入電源的監(jiān)測，所以考慮實驗臺頻繁開關(guān)設(shè)備對防護裝置造成的干擾，本設(shè)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(shè)計

在STM32F407中運行μc-OS實時操作系統(tǒng)，對ADE7878進行控制和讀取，實時監(jiān)測電壓、電流等數(shù)據(jù)，防止過壓、過流、漏電發(fā)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(jīng)連接過的網(wǎng)絡(luò)，GSM模塊工作，人體熱釋電傳感器檢測不工作，內(nèi)部核心開始計時，當(dāng)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(huán)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(dāng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠程查詢實驗臺處于工作狀態(tài)時，可以通過APP應(yīng)用切斷實驗臺電源，但是無法遠程啟動實驗臺電源；當(dāng)用戶通過GSM模塊遠程向防護裝置發(fā)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(jié)果及結(jié)論

當(dāng)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(fā)生誤觸發(fā)現(xiàn)象，即實驗臺啟動大功率設(shè)備時，會發(fā)生切斷實驗臺電源的現(xiàn)象，通過使用混合信號示波器記錄各個信號的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾發(fā)生時，大功率設(shè)備的啟動和關(guān)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(fā)現(xiàn)Wi-Fi模塊工作12小時后容易發(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距離縮短，正常室溫環(huán)境中10米可檢測在冬季低溫環(huán)境下只有不到5米。所以該防護裝置不能用于低于0℃的環(huán)境中。

經(jīng)過長時間實際測試發(fā)現(xiàn)，這種防護裝置可以有效的監(jiān)測電流電壓，而且用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)或者GSM網(wǎng)絡(luò)對實驗臺進行切斷電源控制，有效的保護了設(shè)備安全，更降低了對人身安全造成的危害。

參考文獻

[1]趙國良.電工實驗臺實時安全監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦編程技巧與維護，2015（02）.

[2]王雙明.智能安全適用型電子實驗臺[J].電子制作，2003（06）.

[3]龍吉.負(fù)載識別控制器的設(shè)計[J].中小企業(yè)管理與科技，2016（03）.

作者單位

吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132102endprint