人体感应断电保护系统_李阿标.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期27文章编号：2095-6835（2023）04-0027-03人体感应断电保护系统李阿标，高 华（安徽三联学院，安徽 合肥 230601）摘要：随着人们生活水平的提高，家用电器设备也越来越多，但大多电气设备都存在潜在的安全隐患。当人们在生活中不幸触电时，为了实现电气设备能够有效、及时地自动断电来保护人体，研究了人体感应断电保护系统装置来实现对人体的断电保护。该装置基于 STC89C51 单片机，对单片机进行初始化设置后，通过单片机来控制人体红外感应传感器和电流检测器进行检测人体信号和人体触电时电流的变化信号，并将其信号通过 A/D 转换后输送给单片机，单片机将接收到的信号进行处理并与所设定的阈值进行比较，若超出该阈值范围，则单片机控制控制继电器作为自动开关，实现继电器对电路的自动断开，以保障人体在触电时及时断电保护。该系统装置采用了自动化设计，结合了红外检测技术、电流检测技术和 A/D 转换技术等，具有高度的精确性和安全性，并以单片机为控制器且结合继电器，具有较强的控制力，可以更好地控制电路，进而更好地保护人们的安全。关键词：STC89C51 单片机；断电保护；人体红外感应；A/D 转换中图分类号：TP212.9文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.04.008随着社会经济的快速发展，越来越多的家用电器设备出现在人们的生活中，为人们的生活和工作提供便利的同时，也推动了社会经济的发展。但在使用这些家用电器的同时，也存在着许多潜在的危险，生活中因电器设备所发生的触电事故也时有发生。那么当人们在生活中触电时，如何实现自动断电保护呢？为了应对触电事故的发生，研究了人体感应断电保护系统，当人体触电时此系统可以在最短的时间内自动断开电路，实现断电保护的作用，以保护触电人体的安全。在人体感应断电保护装置方面的研究中，目前国内的研究现状大多是针对工业生产中的断电保护和专门针对某种电器设备而进行的触电保护设计。对于工业生产中的断电保护，其设备要求等更加工业化，需要达到工业级别。本文研究的人体感应断电保护系统设计主要用于家庭生活中，其不仅可以针对不同的电器设备触电情况，也包括在生活中由于电线老化、误触插座等导致其他触电情况时进行断电保护，具有普遍适用性。1系统装置工作总体流程在整个系统结构中，首先是对单片机的工作状态和装置的初始化进行设置，然后通过连接的人体红外感应传感器和电流检测器采集检测信号，将电流检测器采集的检测信号通过 A/D 转换为数字量，传输给主控单片机，单片机对转换器数据输出口送来的数字量数据进行存储，并根据所设定的阈值，进行控制继电器通断电，从而构成继电器切断保护电路。检测电路通过互感器与本装置进行连接，通过单片机控制进行测试。当人体红外传感器检测到有人，且电流检测器检测的电流发生变化时，说明有人触电。此时将检测信号输送给单片机，单片机通过控制继电器，使继电器切断电路，达到触电保护的目的。2系统设计思路根据人体感应断电保护系统装置工作的总体流程，得出思路流程简图，如图 1 所示。该系统以单片机为主要控制模块，并结合人体红外传感器模块、电路检测模块、A/D 转换模块、继电器装置模块进行工作。本装置首先利用人体红外感应传感器进行扫描检测，当检测到有人时，人体红外传感器将输出的数字量检测信号传送至单片机管脚，单片机通过控制管脚为输入模式接收该信号并检测各模块运作情况，通过基金项目省级创新训练项目“人体感应断电保护系统”（编号：202010959040）；国家级大学生创新创业训练计划项目“人体感应断电保护系统”（编号：202110959017）科技与创新Science and Technology&Innovation282023 年 第 04 期控制电流检测模块对电路的电流、电压进行检测1。当人体触电时，电流检测模块将电路中检测的电流、电压进行模数转换并通过管脚传送给单片机。单片机将接收到信号与所设定的阈值进行比较，若超出该阈值范围，则单片机控制继电器作为自动开关，实现继电器对电路的自动断开，以保障人体在触电时及时断电保护。图 1人体感应断电保护系统思路流程简图3系统各模块设计3.1单片机控制模块在该系统中，STC89C51 被选为模块的控制芯片，其具有强大的位操作功能，可以解决 I/O 端口，1 个可编程全双工串行通信接口，2 个 16 位定时/计数器，4 KB 程序内存，258 B 数据内存，64 KB 扩展总线控制电路、4 个 8 位可编程并行 I/O 端口，5 个中断源和1 个时钟电路。此外，对于 51 单片机的开发利用中，定时器中断、外部中断等开发程序方便使用，并且 51系列单片机价格低廉。在使用 51 单片机控制时，通常使用 51 单片机的最小系统，包括电源电路，晶振电路和复位电路。电源电路一般有 5 V 直流电源为单片机的 40 号管脚 VCC 进行供电，20 号管脚接电源负极，构成电源回路，提供单片机的工作电源。晶振电路在 51 类型的单片机最小系统中，一般是由有 20 pF 电容和 12 MHz 晶振元件构成电路，晶振通过电容振荡提供起振条件并维持，为单片机正常工作提供基准信号。单片机的复位电路通常情况下可以通过 3 种方式对单片机进行复位：通过复位按键复位即通过按下外界单片机复位管脚的按键进行复位，上电复位即通过手动接通电源进行复位，通过编写复位程序使单片机运行程序时实现复位。在使用最小系统板时，通常情况下都是通过按下外接单片机复位管脚的按键，或者直接接通电源上电复位。3.1.1单片机控制继电器原理一般来说，单片机控制继电器有 2 种方式：第一种是单片机三极管（PNP）继电器，第二种是单片机光耦三极管（NPN）继电器。第二种采用光电隔离方式，其抗干扰能力比第一种更强。第一种采用 PNP 型控制逻辑方式，由低电平触发控制逻辑进行工作，可以有效防止单片机复位时出现其他故障。第二种为了方便控制，但也遵循第一种的控制逻辑，该系统由三极管控制2。在实物测试中，继电器的使用相当于一个开关，继电器端口又分为常开端和常闭端。根据所连接的常开端和常闭端的不同，单片机在控制继电器时分为高电平触发方式和低电平触发方式，需要通过调整继电器所连接管脚输出的高低电平来实现对继电器断开和闭合的控制，从而实现对电路的切断与连接。3.1.2单片机对信息处理原理由于该装置使用的人体红外感应模块为数字传感器，即可以直接输出数字信号 1 或 0。单片机 I/O 口在输入模式下，接收人体红外传感器输出的数字信号为 1或 0，并通过条件语句结合判断执行不同的操作。对于电路检测元件检测的电路中电流的变化量输出为模拟量，单片机需要外接 A/D 转换器将电路检测元件所输出的模拟量转换为数字量，并传送给单片机。单片机在接收到数字信号后即可对其进行控制。单片机在接收到人体红外感应传感器和电流检测元件处理后的信号时，通过条件语句和判断语句综合判断人体红外信号和电流检测信号是否在其范围内，从而控制继电器进行相应的操作。当人体红外传感器检测到人体时，单片机控制继电器使电路闭合；当人体红外传感器检测到有人，并且电流检测元件检测的电流变化超出所设置的阈值范围时，即代表有人触电，单片机控制继电器电路为断开状态，对人体进行断电保护。3.2人体红外感应模块对于人体红外感应模块，直接使用人体红外传感器对其一定范围内的物体的存在做出一定的响应，无论人是移动的还是静止的，只要落在红外传感器扫描探测范围内，人体红外传感器就会进行不断地扫描检测，并将扫描结果通过输出引脚传送至单片机所连接的传感器管脚，并控制该管脚做出相应的响应。在实物测试中，该系统的人体红外感应检测模块采用 HC-SR501 人体红外传感器。该传感器是一种采用红外技术的自动控制模块。它适用于许多自动化感应设备，灵敏度高、可靠性强及超低电压工作模式。人体红外感应Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期29并且该人体红外感应传感器为数字传感器，输出只有高低电平即输出信号只有 0 和 1。当人体进入传感器的传感检测范围内时，输出高电平；当人体离开传感检测范围内时，通过延时一段时间后自动输出低电平。在通过单片机的控制中，人体红外感应模块输出的高低电平，可直接被单片机管脚所捕获。对于该传感器，其所能感应的距离范围、灵敏度等都可以根据现场不同的环境进行调节，进而可以适应于不同的场所，发挥出更好的作用进行断电保护。3.3电流检测模块电流检测模块主要采用 ACS712 电流传感器采集及检测由铜电流通路和精密低线性霍尔元件传感器电路组成的电路中的电流3。被测电流通过通道，内阻小、功耗低。电路电流由铜构成，电流经过 A/D 转换后由单片机发送。根据电流产生的磁场感应芯片中的霍尔IC。这种比例电压变换器可以消除误差4。在该系统实物测试中可直接购买由 ACS712 电流传感器芯片所构成的电流检测模块。该模块通过 5 V直流供电，有 3 个管脚，分别为 VCC、GND、OUT。根据不同的应用场景可选择测量不同量程的模块，输出的也对应其不同的模拟量值，当该模块中没有通过检测电流时，其输出引脚的电压为 VCC/2。该电流检测模块由于是利用霍尔元件检测的电路原理进行设计，所以当其工作环境存在一定的磁场时，会对该元件造成相应的干扰，故应使用在生活中无磁场的场合。在居家生活使用中，完全可以近似为无磁场的场合，所以此电流传感器完全可以用于家庭生活中。3.4A/D 转换模块由于人体感应断电保护系统可对生活中触电的人们进行断电保护，因此在电路中为了保证对所采集的电流、电压的处理更加准确，使人们能够更加安全用电，即采用分辨率位数较高的 16 位 AD7606 模数转换模块5。AD7606 是一个 8 通道 16 位的双列直插封装的 A/D 转换器。方便适用于 TTL 或 CMOS 接口，内置时钟发生器，能够满足一定的差分电压输入，具有参考电压输入端。当使用该模块时应尽量保证供电电压和输入信号电压不要超过一定的范围，并且为了保证该模块能更加精准地进行测量，所以需要采用线性电源进行供电，且信号线不易过长，以免引入噪声而导致采样精度下降。对于供电问题，可以通过单片机进行实时控制显示其电压并给该模块进行供电；对于一些外界的噪声干扰问题，可以通过在编写单片机控制程序时加入相关的滤波算法，对所采集的信号进行滤波，以尽量削减噪声的干扰，使其可以更好地发挥作用。3.5继电器模块继电器1是一种控制系统与被控系统进行配合以实现一定功能的电子控制装置。它是一种用小电流控制电路中大电流的自动控制装置开关，被广泛应用于电力保护、自动控制等领域。在电路中具有自动调节和安全保护功能。继电器模块在人们的日常生活中较为常见。在普遍使用的继电器中，其输入电压要求小于等于 36 V。继电器的使用触发端分别为信号触发端及外接直流电源正负极端口。接入端连接回路中，分为常开端和常闭端，它们组合成一个单刀双掷的开关，通过不同的触发方式，吸合不同的接触端实现不同信号的触发。根据所接的继电器的常开端和常闭端的不同，单片机管脚所发出的控制其通断的高低信号也不同。通过单片机管脚输出的小信号电流来控制继电器所接的电路中的大电流，是继电器的主要优势之一。4结论在人体感应断电保护系统的设计中，结合人体红外传感器、电流检测模块、A/D 转换模块、继电器模块等实现了当人们在生活中不幸触电时自动断电的功能。该装置不仅局限于针对某个家用电器设备，可以应用在家庭生活等各个用电场所，具有一定的先进性和普遍适应性，并且具有较强的控制力，可以更好地控制电路，进而更好地保护人们的安全。参考文献：1冯恒振，石云波，秦丽，等.基于热释电红外传感器的动作检测系统设计J.压电与声光，2017，39（4）：610-613.2李虹静，李升辉.基于 STC8 系列单片机的继电器控制电路设计 J.科技与创新，2019（13）：37-38.3王仲夏，章浩，