電焊機智能斷電裝置的研究

西北民族大學電氣工程學院 楊 睿 陳 海 楊芳錕

金工實習課程是高校培養學生實踐能力的實踐基礎課程，是工科類學生了解機械加工工藝和機械制造工藝的有效途徑。金工實習課程的第一課就是安全教育，安全在課程中尤為重要。雖然指導老師會強調用電安全以及設備操作注意事項，但由于大多數學生是第一次接觸電焊設備，安全意識薄弱，在老師沒注意到的情況下難免會做出一些違規操作。例如：部分學生會坐在電焊機上休息，如此極有可能發生漏電現象。一旦發生漏電現象，輕則損壞電焊設備，重則造成人員傷亡。還有部分學生可能會在課程結束后，忘記關閉電焊機電源，這樣有可能引發火災。

為了解決金工實習焊接課程中的安全隱患，保證教學的順利進行，本文為電焊機設計了一個電焊機智能斷電裝置，預防操作不當造成的事故。該項目針對金工實習過程中的安全問題，以STM32單片機為控制核心，通過人體紅外傳感器和電阻式薄膜壓力傳感器檢測信息，識別焊接課程中的違規操作，STM32單片機處理信息，控制斷電裝置斷電。當檢測到安全隱患時，斷電裝置立即斷電，以減低事故發生概率。

1 系統總體設計

本系統由STM32單片機、電阻式薄膜壓力傳感器、人體紅外感應模塊、nRf24l01模塊、繼電器模塊、大功率繼電器組成。其中，STN32單片機為控制核心，電阻式薄膜壓力傳感器、人體紅外感應模塊檢測信息，nRf24l01模塊將檢測信息傳送給STM32單片機,繼電器模塊通過控制大功率繼電器的電源對電焊機進行斷電。整體系統設計如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 硬件功能

2.1 無線通信功能

無線通信功能由STM32單片機和nRf24l01模塊共同實現。

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

nRf24l01模塊是一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發器。該模塊工作于2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段，具有自動應答和自動再發射功能；具有6個數據通道和126個通信通道，可以建立1對多的無線通信；具有體積小、價格便宜、功耗低、易編程等特點。

采用5V直流電源給STM32單片機和nRf24l01模塊供電，STM32單片機IO口與nRf24l01模塊對應引腳連接。由nRf24l01模塊之間進行無線通信，而STM32單片機則將nRf24l01模塊接收到的信息進行分析處理。

2.2 信息檢測功能

本系統是通過人體紅外感應模塊和電阻式薄膜壓力傳感器實現檢測信息功能。

（1）人體紅外感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元位于較長方向的兩端，當人體走過時人體釋放的紅外線到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏。為了使感應更加靈敏準確，通過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。當有人時向STM32單片機輸出高電平，無人時向STM32單片機輸出低電平信號,從而實現對車間有無人的檢測。當檢測到車間無人時，啟動STM32單片機定時器。若超過規定時間，通過nRf24l01模塊向控制繼電器的STM32單片機發送斷電信號。若在規定時間內檢測到有人到來則關閉定時器。

（2）電阻式薄膜壓力傳感器由綜合機械性能優異的聚酯薄膜、高導電材料和納米級壓感材料組成。其底層是柔性薄膜和復合其上的導電層，頂層是柔性薄膜和復合其上的壓感材料。兩者通過雙面膠貼合，并隔離上下兩層的感應區域。當感應區受壓時，底層彼此分離的線路導通，金屬端口的輸出電阻隨著壓力不同發生相應變化。電阻式薄膜壓力傳感器接入線性電壓轉化模塊，通過LM393芯片將模擬的電阻信號轉換成數字電壓，輸入STM32單片機IO口。當檢測到電焊機頂部受到壓力時，STM32單片機通過nRf24l01模塊向控制繼電器的STM32單片機發送斷電信號。

2.3 電焊機斷電功能

斷電功能通過STM32單片機、繼電器模塊、JQX-38F/3Z繼電器、nRf24l01模塊實現。

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

JQX-38F3Z繼電器主要由觸點簧片、銜鐵、線圈、鐵芯等部件組成。無電源供電時，彈簧的拉力使公共觸點與常閉觸點接觸。有電源供電時，線圈得電與鐵芯產生磁場將銜鐵吸下來，公共觸點與常開觸點接觸。JQX-38F3Z繼電器觸點可承受40A電流。

電焊機的電源線接入JQX-38F3Z繼電器的兩組“常閉觸點”。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”和“常開觸點”，再接入JQX-38F3Z繼電器電源正極接入端。當STM32單片機接收到斷電信號時，STM32單片機IO口對繼電器模塊的信號發端輸入高電平信號。繼電器模塊的“公共觸點”和“常開觸點”閉合。12V直流電源給JQX-38F3Z繼電器供電“常閉觸點”與“公共觸點”不再接觸，電焊機電源被切斷從而實現斷電功能。

3 軟件設計與實現

3.1 系統主程序

本次設計使用的編程語言為C語言，使用的編譯器為Keil uVision 5。單片機的主控程序由主函數、nRf24l01初始化函數、nRf24l01發送函數、nRf24l01函數、IO口初始化函以及對IO口狀態判斷函數組成。

3.2 nRf24l01模塊程序

對nRf24l01模塊的操作，就需要IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE對nRf24l01中的寄存器進行操作以及狀態的轉換。要使兩個nRf24l01模塊之間進行通信，必須使兩個nRf24l01模塊的發射接收地址、發射接收數據寬度、發射接收速率、發射接收頻道保持一致。

nRf24l01模塊初始化過程如下：（1）配置接收地址TX_ADDR、發送地址RX_ADDR；（2）使能通道0自動應答通道、接收地址（接收端）、發送地址（發送端）；（3）設置自動重發時間和最大自動重發次數；（4）設置RF通道頻率（5）設置發射參數；（6）選擇通道0的有效數據寬度；（7）設置nRf24l01的基本參數及工作模式。

3.3 傳感器程序

將與人體紅外感應模塊輸出端口相連接的IO口設置為浮空輸入模式，讀取IO口狀態。IO口為低電平時，不做動作；IO口為高電平時，啟動定時中斷TIM1。當超過設定時間時，程序初始化nRf24l01模塊，啟動nRf24l01模塊向主機發送斷電標志數據。

將與電阻式薄膜壓力傳感器DO輸出端口相連接的IO口設置為下拉輸入模式，讀取IO口狀態。當壓力小于閾值時，IO口為高電平；當壓力大于閾值時，IO口為低電平時程序初始化nRf24l01模塊，啟動nRf24l01模塊向主機發送斷電標志數據。

結束語：本文設計了基于STM32單片機、人體紅外感應模塊、電阻式薄膜壓力傳感器、nRf24l01無線射頻模塊、繼電器模塊、大功率繼電器的智能斷電裝置。其能對金工實習中的違規操作進行有效地檢測并及時斷電。