一种基于跌倒预警的智能安全帽

技术领域

本发明涉及跌倒预警技术领域，具体的，涉及一种基于跌倒预警的智能安全帽。

背景技术

在电力施工和巡检过程中，会经常进入一些空间相对狭小、比较封闭的电力隧道中，由于空间狭小，有的地方只能允许一个人在里边作业，狭小的空间平时处于封存状态，内部因为空气流通比较差，往往会存在一些如氨气、硫化物和其他有害气体，长时间在隧道内部工作可能会导致隧道中的工人昏厥，因此需要隧道中的检修工人与隧道外的工作人员保持通讯，隧道内和隧道外的工作人员协作完成检修工作。为了保证检修工人的安全，进入电力隧道时需要佩戴安全帽，安全帽上设置有跌倒预警装置，跌倒预警装置用于检测隧道中的检修工人是否发生跌倒，同时跌倒预警装置与隧道外工作人员的手持终端保持通讯，保证隧道中检修工人的人身安全。

但由于电力隧道中的工作环境比较复杂，加上各种电力线的干扰，容易引起跌倒预警装置的工作电源在工作过程中出现浮动，从而导致跌倒预警装置的可靠性差，无法准确判断隧道中的检修工人是否发生跌倒。

发明内容

本发明提出一种基于跌倒预警的智能安全帽，解决了相关技术中跌倒预警装置的可靠性差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于跌倒预警的智能安全帽，包括主控单元、跌倒检测电路和无线通信单元，所述跌倒检测电路连接所述主控单元，所述主控单元借助所述无线通信单元与监控终端通信连接，所述跌倒检测电路包括电阻R3、电容C1、开关管Q2、电阻R5、运放U2、非门U6、三极管Q3、变压器T1、电阻R23和加速度传感器P1，

所述电阻R3的第一端连接VCC电源，所述电阻R3的第二端通过所述电容C1接地，所述电阻R3的第二端连接所述开关管Q2的控制端，所述开关管Q2的第一端连接VCC电源，所述开关管Q2的第二端通过所述电阻R5接地，所述开关管Q2的第二端连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的输出端连接所述非门U6的输入端，所述非门U6的输出端连接所述三极管Q3的基极，

所述变压器T1的第一输入端连接VCC电源，所述变压器T1的第二输入端连接所述三极管Q3的发射极，所述三极管Q3的集电极接地，

所述变压器T1的第一输出端连接所述加速度传感器P1的第一供电端，所述变压器T1的第二输出端接地，所述加速度传感器P1的第二供电端接地，所述加速度传感器P1的输出端连接所述主控单元的第一输入端，所述变压器T1的第一输出端连接所述电阻R23的第一端，所述电阻R23的第二端通过所述电阻R24接地，所述电阻R23的第二端连接所述运放U2的同相输入端。

进一步，本发明中所述跌倒检测电路还包括电阻R6、三极管Q1和电阻R7，所述变压器T1的第三输出端连接通过所述电阻R6连接所述三极管Q1的发射极，所述变压器T1的第四输出端接地，所述三极管Q1的集电极通过所述电阻R7接地，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的集电极连接所述三极管Q3的基极。

进一步，本发明中所述跌倒检测电路还包括稳压管D4、电阻R25和开关管Q5，所述稳压管D4的阴极连接VCC电源，所述稳压管D4的阳极通过所述电阻R25连接所述开关管Q5的控制端，所述开关管Q5的第一端连接VCC电源，所述开关管Q5的第二端连接所述变压器T1的第一输入端。

进一步，本发明中还包括信号放大电路，所述信号放大电路包括电阻R1、电容C5、电阻R8、电阻R11、电阻R10、运放U1、电阻R9和电容C6，所述电阻R1的第一端连接所述加速度传感器P1的输出端，所述电阻R1的第二端通过所述电容C5连接所述电阻R8的第一端，所述电阻R8的第二端连接所述运放U1的反相输入端，所述运放U1的同相输入端通过所述电阻R10接地，所述运放U1的同相输入端通过所述电阻R11连接Vref参考电压，所述运放U1的输出端通过所述电阻R9连接所述电阻R8的第一端，所述运放U1的输出端通过所述电容C6连接所述电阻R1的第一端，所述运放U1的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中所述运放U1的输出端和所述主控单元的第一输入端之间还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路包括电容C7、电阻R12、电容C8、电阻R13、运放U3、电阻R14和电阻R15，所述电容C7的第一端连接所述运放U1的输出端，所述电容C7的第二端连接所述电容C8的第一端，所述电容C8的第二端通过所述电阻R13接地，所述电容C8的第二端连接所述运放U3的反相输入端，所述运放U3的同相输入端通过所述电阻R14接地，所述运放U3的输出端通过所述电阻R15连接所述运放U3的同相输入端，所述运放U3的输出端通过所述电阻R12连接所述电容C7的第二端，所述运放U3的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中所述运放U3的输出端和所述主控单元的第一输入端之间还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路包括电阻R16、电容C9、电阻R17、电容C10、运放U4、电阻R18和电阻R19，所述电阻R16的第一端连接所述运放U3的输出端，所述电阻R16的第二端连接所述电阻R17的第二端，所述电阻R17的第二端通过所述电容C10接地，所述电阻R17的第二端连接所述运放U4的同相输入端，所述运放U4的反相输入端通过所述电阻R18接地，所述运放U4的输出端通过所述电阻R19连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端通过所述电容C9连接所述电阻R16的第二端，所述运放U4的输出端连接所述主控单元的第一输入端。

进一步，本发明中还包括报警电路，所述报警电路还包括光耦U5、电阻R20、开关管Q4和报警器B1，所述光耦U5的第一输入端连接所述主控单元的第一输出端，所述光耦U5的第二输入端接地，所述光耦U5的第一输出端连接5V电源，所述光耦U5的第二输出端通过所述电阻R20连接所述开关管Q4的控制端，所述开关管Q4的第一端连接所述报警器B1的第一端，所述报警器B1的第二端连接5V电源，所述开关管Q4的第二端接地。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，跌倒检测电路设置于安全帽上，用于检测电力隧道中的检修工人是否发生跌倒，当电力隧道中的检修工人跌倒时，跌倒检测电路将该跌倒信号转为电信号送至主控单元，主控单元通过无线通信单元将该电信号送至监控终端，以便当电力隧道中的工人发生跌倒时，隧道外边的工作人员采取相应的应急措施，从而保证电力隧道中工人的安全。

当人出现跌倒现象时，人的头部会产生一个加速度，本发明中采用加速度传感器P1作为检测单元，通过加速度信号判断电力隧道中的工人是否发生跌倒。跌倒检测电路的工作原理为：上电时，运放U2输出低电平，三极管Q3导通，VCC电源经变压器T1的输入线圈和开关管Q3后到地，变压器T1的第一输出端和变压器T1的第二输出端构成输出线圈，这时在变压器T1的输出线圈上产生感应电压，并加至加速度传感器P1的供电端，加速度传感器P1开始工作，当检测到工人摔倒时，加速度传感器P1的输出端会输出电信号并送至主控单元的第一输入端。

但由于电力隧道中的环境比较复杂，容易影响VCC电源的稳定性。因此，电阻R23和电阻R24构成分压电路，将变压器T1的输出电压进行分压后反馈至运放U2的同相输入端。同时，电阻R3、电容C1、开关管Q2和电阻R5构成信号发生器，VCC电源接通时，VCC电源经电阻R3为电容C1充电，电容C1充电过程中开关管Q2截止，电阻R5上没有电压产生，运放U2的反相输入端为0，当电容C1的充电电压超过开关管Q2的峰值电压时，开关管Q2导通，这时电阻R5上产生电压信号，这时电容C1处于放电状态，随着电容C1的不断放电，电阻R5上的电压不断减小，当电容C1上的电压低于开关管Q2的谷值电压时，开关管Q2截止，电阻R5上的电压消失，电容C1再次充电，在电容C1的充放电过程中，电阻R5产生一个锯齿波信号并加在运放U2的反相输入端。

运放U2构成比较器，与运放U2同相输入端的电压比较后输出一个脉冲信号，当脉冲信号为低电平时，经过非门U6反相后变为高电平，三极管Q3截止，变压器T1的输入线圈中没有电压，因此，变压器T1的输出线圈中也没有电压产生，速度传感器P1停止工作；当脉冲信号为高电平时，经过非门U6反相后变为低电平，三极管Q3导通，变压器T1的输入线圈产生电压，因此，变压器T1的输出线圈产生感应电压，加速度传感器P1开始工作。当变压器T1的输出电压变大时，运放U2同相输入端的反馈电压变大，则运放U2输出脉冲信号的占空比就会减小，减小三极管Q3的导通时间，从而减小变压器T1的输出电压；当变压器T1的输出电压变小时，运放U2同相输入端的反馈电压变小，则运放U2输出脉冲信号的占空比就会变大，提高三极管Q3的导通时间，从而提高了变压器T1的输出电压，使加速度传感器P1的工作电压稳定不变，因此，提高了跌倒检测的可靠性，能够准确判断隧道中的检修工人是否发生跌倒。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中跌倒检测电路的电路图；

图2为本发明中信号放大电路的电路图；

图3为本发明中第一滤波电路的电路图；

图4为本发明中第二滤波电路的电路图；

图5为本发明中报警电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种基于跌倒预警的智能安全帽，包括主控单元、跌倒检测电路和无线通信单元，跌倒检测电路连接主控单元，主控单元借助无线通信单元与监控终端通信连接，跌倒检测电路包括电阻R3、电容C1、开关管Q2、电阻R5、运放U2、非门U6、三极管Q3、变压器T1、电阻R23和加速度传感器P1，电阻R3的第一端连接VCC电源，电阻R3的第二端通过电容C1接地，电阻R3的第二端连接开关管Q2的控制端，开关管Q2的第一端连接VCC电源，开关管Q2的第二端通过电阻R5接地，开关管Q2的第二端连接运放U2的反相输入端，运放U2的输出端连接非门U6的输入端，非门U6的输出端连接三极管Q3的基极，变压器T1的第一输入端连接VCC电源，变压器T1的第二输入端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极接地，变压器T1的第一输出端连接加速度传感器P1的第一供电端，变压器T1的第二输出端接地，加速度传感器P1的第二供电端接地，加速度传感器P1的输出端连接主控单元的第一输入端，变压器T1的第一输出端连接电阻R23的第一端，电阻R23的第二端通过电阻R24接地，电阻R23的第二端连接运放U2的同相输入端。

本实施例中，跌倒检测电路设置于安全帽上，用于检测电力隧道中的检修工人是否发生跌倒，当电力隧道中的检修工人跌倒时，跌倒检测电路将该跌倒信号转为电信号送至主控单元，主控单元通过无线通信单元将该电信号送至监控终端，以便当电力隧道中的工人发生跌倒时，隧道外边的工作人员采取相应的应急措施，从而保证电力隧道中工人的安全。

当人出现跌倒现象时，人的头部会产生一个加速度，本实施中采用加速度传感器P1作为检测单元，通过加速度信号判断电力隧道中的工人是否发生跌倒。具体的，跌倒检测电路的工作原理为：上电时，运放U2输出低电平，三极管Q3导通，VCC电源经变压器T1的输入线圈和开关管Q3后到地，变压器T1的第一输出端和变压器T1的第二输出端构成输出线圈，这时在变压器T1的输出线圈上产生感应电压，并加至加速度传感器P1的供电端，加速度传感器P1开始工作，当检测到工人摔倒时，加速度传感器P1的输出端会输出电信号并送至主控单元的第一输入端。

但由于电力隧道中的环境比较复杂，容易影响VCC电源的稳定性。因此，电阻R23和电阻R24构成分压电路，将变压器T1的输出电压进行分压后反馈至运放U2的同相输入端。电阻R3、电容C1、开关管Q2和电阻R5构成信号发生器，本实施例中采用单结晶体管作为开关管Q2，VCC电源接通时，VCC电源经电阻R3为电容C1充电，电容C1充电过程中开关管Q2截止，电阻R5上没有电压产生，运放U2的反相输入端为0，当电容C1的充电电压超过开关管Q2的峰值电压时，开关管Q2导通，这时电阻R5上产生电压信号，这时电容C1处于放电状态，随着电容C1的不断放电，电阻R5上的电压不断减小，当电容C1上的电压低于开关管Q2的谷值电压时，开关管Q2截止，电阻R5上的电压消失，电容C1再次充电，在电容C1的充放电过程中，电阻R5产生一个锯齿波信号并加在运放U2的反相输入端。

运放U2构成比较器，与运放U2同相输入端的电压比较后输出一个脉冲信号，当脉冲信号为低电平时，经过非门U6反相后变为高电平，三极管Q3截止，变压器T1的输入线圈中没有电压，因此，变压器T1的输出线圈中也没有电压产生，加速度传感器P1停止工作；当脉冲信号为高电平时，经过非门U6反相后变为低电平，三极管Q3导通，变压器T1的输入线圈产生电压，因此，变压器T1的输出线圈产生感应电压，加速度传感器P1开始工作。

当变压器T1的输出电压变大时，运放U2同相输入端的反馈电压变大，则运放U2输出脉冲信号的占空比就会减小，减小三极管Q3的导通时间，从而减小变压器T1的输出电压；当变压器T1的输出电压变小时，运放U2同相输入端的反馈电压变小，则运放U2输出脉冲信号的占空比就会变大，提高三极管Q3的导通时间，从而提高了变压器T1的输出电压，使加速度传感器P1的工作电压稳定不变，因此，提高了跌倒检测的可靠性。

其中，二极管D1和电容C2起到整流滤波的作用，将变压器T1输出的电信号变为直流电加在加速度传感器P1的供电端。

如图1所示，本实施例中跌倒检测电路还包括电阻R6、三极管Q1和电阻R7，变压器T1的第三输出端连接通过电阻R6连接三极管Q1的发射极，变压器T1的第四输出端接地，三极管Q1的集电极通过电阻R7接地，三极管Q1的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的集电极连接三极管Q3的基极。

本实施例中，除了变压器T1的输出电压会影响加速度传感器P1工作的稳定性之外，变压器T1的输出功率同样会影响加速度传感器P1的稳定性。为了保证变压器T1的输出功率稳定不变，本实施例中添加了功率调节电路。

变压器T1的第三输出端和变压器T1的第四输出端构成了反馈线圈，当变压器T1的输出功率高时，变压器T1反馈线圈中的电流大，则三极管Q1的集电极电流大，电阻R7上的电压变大，导致三极管Q3的基极电流变大，从而减小流过变压器T1输入线圈中的电流，抑制变压器T1的输出功率变大；当变压器T1的输出功率低时，变压器T1反馈线圈中的电流小，则三极管Q1的集电极电流小，电阻R7上的电压变小，导致三极管Q3的基极电流减小，从而提高流过变压器T1输入线圈中的电流，抑制变压器T1的输出功率变小。

因此，本实施例不仅能够使加速度传感器P1的工作电压稳定，还能使加速度传感器P1工作的工作电流稳定，进一步提高加速度传感器P1工作的稳定性和可靠性。

如图1所示，本实施例中跌倒检测电路还包括稳压管D4、电阻R25和开关管Q5，稳压管D4的阴极连接VCC电源，稳压管D4的阳极通过电阻R25连接开关管Q5的控制端，开关管Q5的第一端连接VCC电源，开关管Q5的第二端连接变压器T1的第一输入端。

当VCC电源高于设定值时，将会超过加速度传感器P1的最大工作电压，这时可能会将加速度传感器P1直接烧毁，为此，本实施例中加入了保护电路。

当VCC电源在正常范围时，VCC电源低于稳压管D4的击穿电压，稳压管D4截止，开关管Q5的控制端为低电平，开关管Q3导通，当VCC电源超过设定值时，稳压管D4被击穿，开关管Q5的控制端变为高电平，开关管Q5截止，从而切断VCC电源，避免VCC电源过大而烧坏加速度传感器P1。

如图2所示，本实施例中还包括信号放大电路，信号放大电路包括电阻R1、电容C5、电阻R8、电阻R11、电阻R10、运放U1、电阻R9和电容C6，电阻R1的第一端连接加速度传感器P1的输出端，电阻R1的第二端通过电容C5连接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端连接运放U1的反相输入端，运放U1的同相输入端通过电阻R10接地，运放U1的同相输入端通过电阻R11连接Vref参考电压，运放U1的输出端通过电阻R9连接电阻R8的第一端，运放U1的输出端通过电容C6连接电阻R1的第一端，运放U1的输出端连接主控单元的第一输入端。

本实施例中，加速度传感器P1输出的电信号比较微弱，主控单元无法有效识别，为此，本实施例中加入了信号放大电路，电阻R1、电容C5、电阻R8、电阻R11、电阻R10、运放U1、电阻R9和电容C6构成电荷放大器，加速度传感器P1输出的电信号为电荷信号。

电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。电荷放大器利用高增益的放大器和绝缘性能很好的电容来实现，输出电压与电荷量只与反馈电容相关。得到与输入电荷成比例的输出电压并且把高内阻电荷源转换成一个低内阻的电压源。最终将放大后的电信号送至主控单元。

如图3所示，本实施例中运放U1的输出端和主控单元的第一输入端之间还包括第一滤波电路，第一滤波电路包括电容C7、电阻R12、电容C8、电阻R13、运放U3、电阻R14和电阻R15，电容C7的第一端连接运放U1的输出端，电容C7的第二端连接电容C8的第一端，电容C8的第二端通过电阻R13接地，电容C8的第二端连接运放U3的反相输入端，运放U3的同相输入端通过电阻R14接地，运放U3的输出端通过电阻R15连接运放U3的同相输入端，运放U3的输出端通过电阻R12连接电容C7的第二端，运放U3的输出端连接主控单元的第一输入端。

本实施例中，受工作环境的影响，导致运放U1输出的电信号中含有直流漂移，因此，本实施例中加入了第一滤波电路，其中，电容C7、电阻R12、电容C8和电阻R13构成高通滤波电路，用于衰减运放U1输出电信号中的直流成分，滤波的过程中，有用的信号同样会造成一定的衰减，因此，运放U3构成放大电路，对滤波后的信号进行补偿放大，然后将滤波后的电信号送至主控单元。

如图4所示，本实施例中运放U3的输出端和主控单元的第一输入端之间还包括第二滤波电路，第二滤波电路包括电阻R16、电容C9、电阻R17、电容C10、运放U4、电阻R18和电阻R19，电阻R16的第一端连接运放U3的输出端，电阻R16的第二端连接电阻R17的第二端，电阻R17的第二端通过电容C10接地，电阻R17的第二端连接运放U4的同相输入端，运放U4的反相输入端通过电阻R18接地，运放U4的输出端通过电阻R19连接运放U4的反相输入端，运放U4的输出端通过电容C9连接电阻R16的第二端，运放U4的输出端连接主控单元的第一输入端。

本实施例中，运放U1输出的电信号中除了包含直流漂移外，还含有大量的高频干扰，为此，本实施例在运放U3和主控单元的第一输入端之间加入了第二滤波电路。第二滤波电路为低通滤波电路，由电阻R16、电容C9、电阻R17、电容C10、运放U4、电阻R18和电阻R19构成，用于滤除信号的高频杂波信号，最终将滤波后的信号送至主控单元。

如图5所示，本实施例中还包括报警电路，报警电路还包括光耦U5、电阻R20、开关管Q4和报警器B1，光耦U5的第一输入端连接主控单元的第一输出端，光耦U5的第二输入端接地，光耦U5的第一输出端连接5V电源，光耦U5的第二输出端通过电阻R20连接开关管Q4的控制端，开关管Q4的第一端连接报警器B1的第一端，报警器B1的第二端连接5V电源，开关管Q4的第二端接地。

本实施例中，当电力隧道中的检修工人出现跌倒时，主控单元会将该跌倒信号通过无线通信单元送至监控终端，通知隧道外边的工作人员，同时，在隧道内部的检修工人的安全帽上设有报警电路，当检修工人出现跌倒时，主控单元向报警电路发送报警指令，报警电路用于发出报警信号，同时该报警信号可以对晕厥的工人起到一定唤醒的作用，防止工人一直处于晕厥状态。

报警电路的工作原理为：当电力隧道中的检修工人出现跌倒时，主控单元的第一输出端输出高电平信号，光耦U5导通，光耦U5输出高电平，开关管Q4导通，报警器B1接通5V电源，并发出报警信号。当电力隧道中的检修工人没有出现跌倒时，主控单元的第一输出端输出低电平，光耦U5截止，同时开关管Q4截止，报警器B1不工作。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。