电工电子实验台安全防护装置设计

摘 要 不論是职业院校还是综合性大学，开设电工与电子技术课程或者电工电子实训课程中都用到电工电子实验台，目前国内的教学仪器厂商设计制造的实验台安全防护和集成度都很好，不过由于人为原因，在实验过程中难免发生漏电、短路等安全问题，有些时候操作人员疏忽离开实验台忘记关闭电源，某些大功率用设备如电烙铁忘记关闭极易发生火灾或者烧毁。这些人为因素不仅对实验设备带来安全隐患，也危害人身安全。本文主要设计一种实时监测实验台输入电源的各项参数，对实验台进行远程查询和控制的安全防护装置。

【关键词】实验台 安全防护 无线通信 STM32

电工电子实验台在工科类院校很常见，由于这门课程属于专业基础课，所以在使用过程中，学生尚未对电工操作有太深的认识，经常出现操作错误引起的短路、漏电、触电等现象，不仅对实验设备造成损坏，还可能危及人身安全。在日常科研设计工作过程中，教师焊接调试后也往往出现忘记关闭实验台电源造成电烙铁一直处于加热状态；精密仪器一直处于开机状态，不仅容易烧坏设备，甚至发生火灾。所以本设计的防护装置在综合以上安全隐患，从人身安全和设备安全两个方面对电工电子实验台的电源输入端进行控制，分析和监测实验台的实时工作电压、工作电流；防护装置内部核心集成GSM模块和Wi-Fi模块，能够远程查询当前实验台的工作状态，并控制实验台的电源关闭和开启；防护装置通过外接人体热释电传感器对实验室内部进行检测，当一定时间内实验室没有人员活动，将启动报警功能，在若干时间后仍无人活动将自动切断实验台电源（该功能可以关闭）。

1 防护装置的硬件结构

防护装置内部核心使用意法半导体公司的STM32F407RGT6微控制器，这种微控制器基于Cortex-M4内核，在嵌入式开发上具有非常明显的优势，这种架构具有更加高的性能，更加丰富的外设和更加低的功耗，由于设计中采用无线通信技术，在与这类模块通信和控制方面更具高能效。虽然在一定条件下低功耗和高性能是矛盾的，但是在其核心运行实时操作系统，可以有效的对程序优化，大大减少待机和工作功耗。

监测电流和电压等基础参数的芯片采用ADI公司的ADE7878解决方案，电流和电压检测使用电流电压互感器。ADE7878是一款高精度的三相电能计量芯片，其内部具有7个模数转换器、高精度基准电压源和三路脉冲电压输出，能够测量有功、无功功率及视在功率，测量电压、电流有效值以及电压跌落、过电压和过电流检测等。

热释电传感器处理芯片采用CS9803，热释电传感器加菲涅尔透镜可以实现对其前方4-10米左右范围内的人体信号进行检测，需要注意的是，冬季低温环境中检测距离可能缩短。

在无线通信方面，防护装置内部控制核心和Wi-Fi模块以及GSM模块通过串行通信方式与STM32F407RGT6相连接，且供电电源都是3.3V，无需额外供电模块。

防护装置的执行机构是由直流继电器构成，上电后继电器闭合电源接通，用户操作或者自动切断电源时，继电器断开电源关闭。因为涉及到输入电源的监测，所以考虑实验台频繁开关设备对防护装置造成的干扰，本设计采用隔离电源模块，能够有效的抗电磁干扰。

2 防护装置的软件设计

在STM32F407中运行μc-OS实时操作系统，对ADE7878进行控制和读取，实时监测电压、电流等数据，防止过压、过流、漏电发生，所以这部分的时间资源分配需要多一些，保证实时性；而对人体红外热释电检测则不要求那么高的实时性，每1秒-5秒检测一次即可；对Wi-Fi和GSM模块控制和接收也不要求过高的实时性，保证Wi-Fi始终保持握手不断线即可（实际测试中需要每12小时重启初始化一次保证可靠性）。

防护装置的防护思想是，实验台通电之后，该防护装置立刻工作，Wi-Fi模块自动搜索并加入已经连接过的网络，GSM模块工作，人体热释电传感器检测不工作，内部核心开始计时，当计时时间到2个小时后，人体热释电传感器开始工作检测环境是否有人体活动，如果半小时后仍无活动，报警10分钟后通过继电器切断实验台电源；当用户通过网络远程查询实验台处于工作状态时，可以通过APP应用切断实验台电源，但是无法远程启动实验台电源；当用户通过GSM模块远程向防护装置发送指令时，可以切断实验台电源，但是无法远程启动实验台电源。

3 测试结果及结论

当使用非隔离电源，一种线性低压差电源给防护装置供电时容易发生误触发现象，即实验台启动大功率设备时，会发生切断实验台电源的现象，通过使用混合信号示波器记录各个信号的过程中，发现当干扰发生时，大功率设备的启动和关闭会影响防护装置，更换为隔离电源后一切正常。实际测试中发现Wi-Fi模块工作12小时后容易发生不稳定情况，所以为了稳定考虑，每隔12小时重启初始化一次Wi-Fi模块。在冬季低温环境中，人体热释电传感器的检测距离缩短，正常室温环境中10米可检测在冬季低温环境下只有不到5米。所以该防护装置不能用于低于0℃的环境中。

经过长时间实际测试发现，这种防护装置可以有效的监测电流电压，而且用户可以通过互联网或者GSM网络对实验台进行切断电源控制，有效的保护了设备安全，更降低了对人身安全造成的危害。

参考文献

[1]赵国良.电工实验台实时安全监护系统设计[J].电脑编程技巧与维护，2015（02）.

[2]王双明.智能安全适用型电子实验台[J].电子制作，2003（06）.

[3]龙吉.负载识别控制器的设计[J].中小企业管理与科技，2016（03）.

作者单位

吉林化工学院 吉林省吉林市 132102endprint