电焊机智能断电装置的研究

2021-06-30西北民族大学电气工程学院杨芳锟

电子世界 2021年11期

西北民族大学电气工程学院杨睿陈海杨芳锟

金工实习课程是高校培养学生实践能力的实践基础课程，是工科类学生了解机械加工工艺和机械制造工艺的有效途径。金工实习课程的第一课就是安全教育，安全在课程中尤为重要。虽然指导老师会强调用电安全以及设备操作注意事项，但由于大多数学生是第一次接触电焊设备，安全意识薄弱，在老师没注意到的情况下难免会做出一些违规操作。例如：部分学生会坐在电焊机上休息，如此极有可能发生漏电现象。一旦发生漏电现象，轻则损坏电焊设备，重则造成人员伤亡。还有部分学生可能会在课程结束后，忘记关闭电焊机电源，这样有可能引发火灾。

为了解决金工实习焊接课程中的安全隐患，保证教学的顺利进行，本文为电焊机设计了一个电焊机智能断电装置，预防操作不当造成的事故。该项目针对金工实习过程中的安全问题，以STM32单片机为控制核心，通过人体红外传感器和电阻式薄膜压力传感器检测信息，识别焊接课程中的违规操作，STM32单片机处理信息，控制断电装置断电。当检测到安全隐患时，断电装置立即断电，以减低事故发生概率。

1 系统总体设计

本系统由STM32单片机、电阻式薄膜压力传感器、人体红外感应模块、nRf24l01模块、继电器模块、大功率继电器组成。其中，STN32单片机为控制核心，电阻式薄膜压力传感器、人体红外感应模块检测信息，nRf24l01模块将检测信息传送给STM32单片机,继电器模块通过控制大功率继电器的电源对电焊机进行断电。整体系统设计如图1所示。

图1 系统总体结构

2 硬件功能

2.1 无线通信功能

无线通信功能由STM32单片机和nRf24l01模块共同实现。

STM32单片机是由STMicroelectronic公司使用arm公司的cortex-M3为核心生产的32位的单片机。本设计使用的主控芯片是stm32f103c8t6，该芯片以72MHz频率工作，闪存高达128KB，SRAM高达20KB，有37个IO口以及DMA，电机控制PWM、PDRPOR、PVD、PWM、温度传感器、WDT等多种外设功能。

nRf24l01模块是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器。该模块工作于2.4-2.5GHZ世界通用ISM频段，具有自动应答和自动再发射功能；具有6个数据通道和126个通信通道，可以建立1对多的无线通信；具有体积小、价格便宜、功耗低、易编程等特点。

采用5V直流电源给STM32单片机和nRf24l01模块供电，STM32单片机IO口与nRf24l01模块对应引脚连接。由nRf24l01模块之间进行无线通信，而STM32单片机则将nRf24l01模块接收到的信息进行分析处理。

2.2 信息检测功能

本系统是通过人体红外感应模块和电阻式薄膜压力传感器实现检测信息功能。

（1）人体红外感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元位于较长方向的两端，当人体走过时人体释放的红外线到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏。为了使感应更加灵敏准确，通过菲涅尔镜片将人体释放的红外线聚焦到人体热释电红外传感器上。当有人时向STM32单片机输出高电平，无人时向STM32单片机输出低电平信号,从而实现对车间有无人的检测。当检测到车间无人时，启动STM32单片机定时器。若超过规定时间，通过nRf24l01模块向控制继电器的STM32单片机发送断电信号。若在规定时间内检测到有人到来则关闭定时器。

（2）电阻式薄膜压力传感器由综合机械性能优异的聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料组成。其底层是柔性薄膜和复合其上的导电层，顶层是柔性薄膜和复合其上的压感材料。两者通过双面胶贴合，并隔离上下两层的感应区域。当感应区受压时，底层彼此分离的线路导通，金属端口的输出电阻随着压力不同发生相应变化。电阻式薄膜压力传感器接入线性电压转化模块，通过LM393芯片将模拟的电阻信号转换成数字电压，输入STM32单片机IO口。当检测到电焊机顶部受到压力时，STM32单片机通过nRf24l01模块向控制继电器的STM32单片机发送断电信号。

2.3 电焊机断电功能

断电功能通过STM32单片机、继电器模块、JQX-38F/3Z继电器、nRf24l01模块实现。

继电器模块由光耦隔离芯片、小型固态继电器和三极管放大电路组成。由5V直流电源供电，通过STM32单片机IO口输出高低电平控制继电器模块触点的闭合。

JQX-38F3Z继电器主要由触点簧片、衔铁、线圈、铁芯等部件组成。无电源供电时，弹簧的拉力使公共触点与常闭触点接触。有电源供电时，线圈得电与铁芯产生磁场将衔铁吸下来，公共触点与常开触点接触。JQX-38F3Z继电器触点可承受40A电流。

电焊机的电源线接入JQX-38F3Z继电器的两组“常闭触点”。JQX-38F3Z继电器由12V直流电源供电。12V直流电源正极先接入继电器模块的“公共触点”和“常开触点”，再接入JQX-38F3Z继电器电源正极接入端。当STM32单片机接收到断电信号时，STM32单片机IO口对继电器模块的信号发端输入高电平信号。继电器模块的“公共触点”和“常开触点”闭合。12V直流电源给JQX-38F3Z继电器供电“常闭触点”与“公共触点”不再接触，电焊机电源被切断从而实现断电功能。

3 软件设计与实现

3.1 系统主程序

本次设计使用的编程语言为C语言，使用的编译器为Keil uVision 5。单片机的主控程序由主函数、nRf24l01初始化函数、nRf24l01发送函数、nRf24l01函数、IO口初始化函以及对IO口状态判断函数组成。

3.2 nRf24l01模块程序

对nRf24l01模块的操作，就需要IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE对nRf24l01中的寄存器进行操作以及状态的转换。要使两个nRf24l01模块之间进行通信，必须使两个nRf24l01模块的发射接收地址、发射接收数据宽度、发射接收速率、发射接收频道保持一致。

nRf24l01模块初始化过程如下：（1）配置接收地址TX_ADDR、发送地址RX_ADDR；（2）使能通道0自动应答通道、接收地址（接收端）、发送地址（发送端）；（3）设置自动重发时间和最大自动重发次数；（4）设置RF通道频率（5）设置发射参数；（6）选择通道0的有效数据宽度；（7）设置nRf24l01的基本参数及工作模式。