電焊機智能斷電裝置的研究

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊 睿 陳 海 楊芳錕

金工實習(xí)課程是高校培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的實踐基礎(chǔ)課程，是工科類學(xué)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(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)老師會強調(diào)用電安全以及設(shè)備操作注意事項，但由于大多數(shù)學(xué)生是第一次接觸電焊設(shè)備，安全意識薄弱，在老師沒注意到的情況下難免會做出一些違規(guī)操作。例如：部分學(xué)生會坐在電焊機上休息，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)生可能會在課程結(jié)束后，忘記關(guān)閉電焊機電源，這樣有可能引發(fā)火災(zāi)。

為了解決金工實習(xí)焊接課程中的安全隱患，保證教學(xué)的順利進行，本文為電焊機設(shè)計了一個電焊機智能斷電裝置，預(yù)防操作不當(dāng)造成的事故。該項目針對金工實習(xí)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(guī)操作，STM32單片機處理信息，控制斷電裝置斷電。當(dāng)檢測到安全隱患時，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

本系統(tǒng)由STM32單片機、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(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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(xiàn)。

STM32單片機是由STMicroelectronic公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產(chǎn)的32位的單片機。本設(shè)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(shè)功能。

nRf24l01模塊是一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該模塊工作于2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段，具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能；具有6個數(shù)據(jù)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(yīng)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(tǒng)是通過人體紅外感應(yīng)模塊和電阻式薄膜壓力傳感器實現(xiàn)檢測信息功能。

（1）人體紅外感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元位于較長方向的兩端，當(dāng)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(yīng)越靈敏。為了使感應(yīng)更加靈敏準(zhǔn)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(dāng)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(xiàn)對車間有無人的檢測。當(dāng)檢測到車間無人時，啟動STM32單片機定時器。若超過規(guī)定時間，通過nRf24l01模塊向控制繼電器的STM32單片機發(fā)送斷電信號。若在規(guī)定時間內(nèi)檢測到有人到來則關(guān)閉定時器。

（2）電阻式薄膜壓力傳感器由綜合機械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導(dǎo)電材料和納米級壓感材料組成。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，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LM393芯片將模擬的電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，輸入STM32單片機IO口。當(dāng)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(fā)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(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(chǎn)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(dāng)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(fā)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(xiàn)斷電功能。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主程序

本次設(shè)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(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IO口狀態(tài)判斷函數(shù)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(tài)的轉(zhuǎn)換。要使兩個nRf24l01模塊之間進行通信，必須使兩個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)置自動重發(fā)時間和最大自動重發(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，不做動作；IO口為高電平時，啟動定時中斷TIM1。當(dāng)超過設(shè)定時間時，程序初始化nRf24l01模塊，啟動nRf24l01模塊向主機發(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，IO口為高電平；當(dāng)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(fā)送斷電標(biāo)志數(shù)據(jù)。

結(jié)束語：本文設(shè)計了基于STM32單片機、人體紅外感應(yīng)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(xí)中的違規(guī)操作進行有效地檢測并及時斷電。