西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊 睿 陳 海 楊芳錕

金工實(shí)習(xí)課程是高校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的實(shí)踐基礎(chǔ)課程，是工科類學(xué)生了解機(jī)械加工工藝和機(jī)械制造工藝的有效途徑。金工實(shí)習(xí)課程的第一課就是安全教育，安全在課程中尤為重要。雖然指導(dǎo)老師會(huì)強(qiáng)調(diào)用電安全以及設(shè)備操作注意事項(xiàng)，但由于大多數(shù)學(xué)生是第一次接觸電焊設(shè)備，安全意識(shí)薄弱，在老師沒(méi)注意到的情況下難免會(huì)做出一些違規(guī)操作。例如：部分學(xué)生會(huì)坐在電焊機(jī)上休息，如此極有可能發(fā)生漏電現(xiàn)象。一旦發(fā)生漏電現(xiàn)象，輕則損壞電焊設(shè)備，重則造成人員傷亡。還有部分學(xué)生可能會(huì)在課程結(jié)束后，忘記關(guān)閉電焊機(jī)電源，這樣有可能引發(fā)火災(zāi)。

為了解決金工實(shí)習(xí)焊接課程中的安全隱患，保證教學(xué)的順利進(jìn)行，本文為電焊機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)電焊機(jī)智能斷電裝置，預(yù)防操作不當(dāng)造成的事故。該項(xiàng)目針對(duì)金工實(shí)習(xí)過(guò)程中的安全問(wèn)題，以STM32單片機(jī)為控制核心，通過(guò)人體紅外傳感器和電阻式薄膜壓力傳感器檢測(cè)信息，識(shí)別焊接課程中的違規(guī)操作，STM32單片機(jī)處理信息，控制斷電裝置斷電。當(dāng)檢測(cè)到安全隱患時(shí)，斷電裝置立即斷電，以減低事故發(fā)生概率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、電阻式薄膜壓力傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊、nRf24l01模塊、繼電器模塊、大功率繼電器組成。其中，STN32單片機(jī)為控制核心，電阻式薄膜壓力傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)信息，nRf24l01模塊將檢測(cè)信息傳送給STM32單片機(jī),繼電器模塊通過(guò)控制大功率繼電器的電源對(duì)電焊機(jī)進(jìn)行斷電。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件功能

2.1 無(wú)線通信功能

無(wú)線通信功能由STM32單片機(jī)和nRf24l01模塊共同實(shí)現(xiàn)。

STM32單片機(jī)是由STMicroelectronic公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產(chǎn)的32位的單片機(jī)。本設(shè)計(jì)使用的主控芯片是stm32f103c8t6，該芯片以72MHz頻率工作，閃存高達(dá)128KB，SRAM高達(dá)20KB，有37個(gè)IO口以及DMA，電機(jī)控制PWM、PDRPOR、PVD、PWM、溫度傳感器、WDT等多種外設(shè)功能。

nRf24l01模塊是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無(wú)線收發(fā)器。該模塊工作于2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段，具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能；具有6個(gè)數(shù)據(jù)通道和126個(gè)通信通道，可以建立1對(duì)多的無(wú)線通信；具有體積小、價(jià)格便宜、功耗低、易編程等特點(diǎn)。

采用5V直流電源給STM32單片機(jī)和nRf24l01模塊供電，STM32單片機(jī)IO口與nRf24l01模塊對(duì)應(yīng)引腳連接。由nRf24l01模塊之間進(jìn)行無(wú)線通信，而STM32單片機(jī)則將nRf24l01模塊接收到的信息進(jìn)行分析處理。

2.2 信息檢測(cè)功能

本系統(tǒng)是通過(guò)人體紅外感應(yīng)模塊和電阻式薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信息功能。

（1）人體紅外感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長(zhǎng)方形，雙元位于較長(zhǎng)方向的兩端，當(dāng)人體走過(guò)時(shí)人體釋放的紅外線到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏。為了使感應(yīng)更加靈敏準(zhǔn)確，通過(guò)菲涅爾鏡片將人體釋放的紅外線聚焦到人體熱釋電紅外傳感器上。當(dāng)有人時(shí)向STM32單片機(jī)輸出高電平，無(wú)人時(shí)向STM32單片機(jī)輸出低電平信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車間有無(wú)人的檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到車間無(wú)人時(shí)，啟動(dòng)STM32單片機(jī)定時(shí)器。若超過(guò)規(guī)定時(shí)間，通過(guò)nRf24l01模塊向控制繼電器的STM32單片機(jī)發(fā)送斷電信號(hào)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到有人到來(lái)則關(guān)閉定時(shí)器。

（2）電阻式薄膜壓力傳感器由綜合機(jī)械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導(dǎo)電材料和納米級(jí)壓感材料組成。其底層是柔性薄膜和復(fù)合其上的導(dǎo)電層，頂層是柔性薄膜和復(fù)合其上的壓感材料。兩者通過(guò)雙面膠貼合，并隔離上下兩層的感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)感應(yīng)區(qū)受壓時(shí)，底層彼此分離的線路導(dǎo)通，金屬端口的輸出電阻隨著壓力不同發(fā)生相應(yīng)變化。電阻式薄膜壓力傳感器接入線性電壓轉(zhuǎn)化模塊，通過(guò)LM393芯片將模擬的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，輸入STM32單片機(jī)IO口。當(dāng)檢測(cè)到電焊機(jī)頂部受到壓力時(shí)，STM32單片機(jī)通過(guò)nRf24l01模塊向控制繼電器的STM32單片機(jī)發(fā)送斷電信號(hào)。

2.3 電焊機(jī)斷電功能

斷電功能通過(guò)STM32單片機(jī)、繼電器模塊、JQX-38F/3Z繼電器、nRf24l01模塊實(shí)現(xiàn)。

繼電器模塊由光耦隔離芯片、小型固態(tài)繼電器和三極管放大電路組成。由5V直流電源供電，通過(guò)STM32單片機(jī)IO口輸出高低電平控制繼電器模塊觸點(diǎn)的閉合。

JQX-38F3Z繼電器主要由觸點(diǎn)簧片、銜鐵、線圈、鐵芯等部件組成。無(wú)電源供電時(shí)，彈簧的拉力使公共觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)接觸。有電源供電時(shí)，線圈得電與鐵芯產(chǎn)生磁場(chǎng)將銜鐵吸下來(lái)，公共觸點(diǎn)與常開(kāi)觸點(diǎn)接觸。JQX-38F3Z繼電器觸點(diǎn)可承受40A電流。

電焊機(jī)的電源線接入JQX-38F3Z繼電器的兩組“常閉觸點(diǎn)”。JQX-38F3Z繼電器由12V直流電源供電。12V直流電源正極先接入繼電器模塊的“公共觸點(diǎn)”和“常開(kāi)觸點(diǎn)”，再接入JQX-38F3Z繼電器電源正極接入端。當(dāng)STM32單片機(jī)接收到斷電信號(hào)時(shí)，STM32單片機(jī)IO口對(duì)繼電器模塊的信號(hào)發(fā)端輸入高電平信號(hào)。繼電器模塊的“公共觸點(diǎn)”和“常開(kāi)觸點(diǎn)”閉合。12V直流電源給JQX-38F3Z繼電器供電“常閉觸點(diǎn)”與“公共觸點(diǎn)”不再接觸，電焊機(jī)電源被切斷從而實(shí)現(xiàn)斷電功能。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主程序

本次設(shè)計(jì)使用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，使用的編譯器為Keil uVision 5。單片機(jī)的主控程序由主函數(shù)、nRf24l01初始化函數(shù)、nRf24l01發(fā)送函數(shù)、nRf24l01函數(shù)、IO口初始化函以及對(duì)IO口狀態(tài)判斷函數(shù)組成。

3.2 nRf24l01模塊程序

對(duì)nRf24l01模塊的操作，就需要IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE對(duì)nRf24l01中的寄存器進(jìn)行操作以及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。要使兩個(gè)nRf24l01模塊之間進(jìn)行通信，必須使兩個(gè)nRf24l01模塊的發(fā)射接收地址、發(fā)射接收數(shù)據(jù)寬度、發(fā)射接收速率、發(fā)射接收頻道保持一致。

nRf24l01模塊初始化過(guò)程如下：（1）配置接收地址TX_ADDR、發(fā)送地址RX_ADDR；（2）使能通道0自動(dòng)應(yīng)答通道、接收地址（接收端）、發(fā)送地址（發(fā)送端）；（3）設(shè)置自動(dòng)重發(fā)時(shí)間和最大自動(dòng)重發(fā)次數(shù)；（4）設(shè)置RF通道頻率（5）設(shè)置發(fā)射參數(shù)；（6）選擇通道0的有效數(shù)據(jù)寬度；（7）設(shè)置nRf24l01的基本參數(shù)及工作模式。

3.3 傳感器程序

將與人體紅外感應(yīng)模塊輸出端口相連接的IO口設(shè)置為浮空輸入模式，讀取IO口狀態(tài)。IO口為低電平時(shí)，不做動(dòng)作；IO口為高電平時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)中斷TIM1。當(dāng)超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，程序初始化nRf24l01模塊，啟動(dòng)nRf24l01模塊向主機(jī)發(fā)送斷電標(biāo)志數(shù)據(jù)。

將與電阻式薄膜壓力傳感器DO輸出端口相連接的IO口設(shè)置為下拉輸入模式，讀取IO口狀態(tài)。當(dāng)壓力小于閾值時(shí)，IO口為高電平；當(dāng)壓力大于閾值時(shí)，IO口為低電平時(shí)程序初始化nRf24l01模塊，啟動(dòng)nRf24l01模塊向主機(jī)發(fā)送斷電標(biāo)志數(shù)據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)、人體紅外感應(yīng)模塊、電阻式薄膜壓力傳感器、nRf24l01無(wú)線射頻模塊、繼電器模塊、大功率繼電器的智能斷電裝置。其能對(duì)金工實(shí)習(xí)中的違規(guī)操作進(jìn)行有效地檢測(cè)并及時(shí)斷電。