一种电气安全互动演示教具

技术领域

本发明涉及用电安全技术领域和电子教具领域，具体涉及一种电气安全互动演示教具。

背景技术

火灾成因调查数据显示，因电气故障引起的火灾约占总数的1/3左右，而电气火灾中因短路、过载、漏电、导体/接触点过热、故障电弧等电气线路故障引发的又占60％以上。因此如何加强对此类电气故障的预防宣传，在用电安全教育培训领域是一个关键性技术。目前市场上的此类教具存在动态模拟演示效果不佳、安全性不足、专业性过强等问题，因此对于普通群众和中小学生的教学效果不甚理想。

例如应急管理部四川消防研究院所针对电气火灾危害推出一款电气火灾模拟实验箱，其专利申请名称为一种电气火灾多发和抑制电气引火源的演示平台，专利申请号201711134367.2，该平台可进行短路、漏电、相间高阻抗放电、炭化路径放电、接触不良发热/放电、全线/局部过载、堆积导线发热等电气故障产生引火源易燃可燃物燃烧的全过程。但该专利对应的电气火灾模拟实验箱会在演示过程中产生电弧、电火花、高温、巨响，对于非专业人士而言操作使用上存在一定的安全隐患，并且也无法动态显示电气网络的故障状态和电流流向，因此并不适用于对普通群众和中小学生的科普教育宣传。

发明内容

本发明为了解决现有技术中动态模拟演示效果不佳、安全性不足、专业性过强等问题，提供一种电气安全互动演示教具。

一种电气安全互动演示教具，包括演示板，集成安装在演示板内部的数据处理模块，与所述数据处理模块连接的输出控制模块、动态演示灯模块、温度检测模块和通讯模块；还包括与所述输出控制模块连接的负载模拟灯模块、电路保护模拟模块、过载模拟模块、短路模拟模块、电弧模拟模块和触点虚接模拟模块；电源模块为上述各模块供电；

所述动态演示灯模块包括多个依次级联的LED灯像素模块和柔性导光条；所述LED灯像素模块与数据处理模块以及电源模块连接，所述数据处理模块控制LED灯像素模块的颜色变化；所述动态演示灯模块动态显示256色；所述数据处理模块与输出控制模块连接，通过数据处理模块向输出控制模块输出分断控制信号；

所述数据处理模块中的微处理器U1与输出控制模块中的继电器驱动芯片U5连接，继电器驱动芯片U5与多个继电器连接，多个继电器对应于电路保护模拟模块、负载模拟灯模块、短路模拟模块、触点虚接模拟模块、过载模拟模块以及电弧模拟模块连接。

本发明的有益效果：

1)本发明所述的装置，可模拟演示电气回路中的线路短路、接触不良、回路漏电、设备过载、故障电弧、线路超温等电气故障，并可通过256色LED灯、电气活动部件对上述电气故障的成因及后果进行动态展示，演示效果更直观。

2)所述装置中的所有模拟模块，工作过程中均不产生电火花、电弧、高电压等危险源，确保装置及使用者的安全。

3)所述装置中的外露带电部件，均采用透明绝缘防护罩防护，在不影响演示效果的同时避免使用者误触。

4)所述装置可通过无线通讯方式进行控制，可随时开始、终止任一电气故障的模拟演示，在方便演示讲解的同时，保证使用者的绝对安全。

附图说明

图1为本发明提出的一种电气安全互动演示教具的功能模块框图。

图2为本发明所述的一种电气安全互动演示教具的数据处理与控制电气原理图。

图3为本发明所述的一种电气安全互动演示教具的动态演示灯模块电气原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

如图1所示，本实施方式中，在壳体内部集成安装有数据处理模块(采用意法半导体公司的STM32系列处理器)，与所述数据处理模块连接的输出控制模块、过载模拟模块、短路模拟模块、电弧模拟模块、触点虚接模拟模块、温度检测模块、动态演示灯模块、电路保护模拟模块和通讯模块；所述电源模块为上述各模块供电。

本实施方式中，所述输出控制模块包括一个继电器驱动芯片、7个继电器及附属电路；继电器分别与过载模拟模块、短路模拟模块、电弧模拟模块、触点虚接模拟模块、电路保护模拟模块以及负载模拟灯模块连接。

所述动态演示灯模块包括LED灯像素模块、柔性导光条；所述LED灯像素模块与数据处理模块、电源模块连接，多个LED灯像素模块依次级联；所述动态演示灯模块可动态显示256色。

本实施方式中，所述数据处理模块包括微处理器及其附属电路，微处理器的I/O管脚与动态演示灯模块中的LED灯像素模块连接，通过I/O管脚控制LED灯像素模块的颜色变化；微处理器的I/O管脚与输出控制模块连接，通过I/O管脚输出分断控制信号。

所述温度检测模块包括2个温度探头、2个温度探测器；2个温度探头的热敏信号输入端分别固定在教具内部和过载模拟模块内部，2个温度探头的信号输出端分别与2个温度探测器的信号输入端连接，2个温度探测器分别显示环境温度、过载模拟模块温度。

所述通讯模块采用蓝牙通讯模组，接收外部命令后将外部命令传输至数据处理模块，所述数据处理模块与输出控制模块连接，数据处理模块根据接收到的外部命令控制输出控制模块中的继电器动作。

如图2所示，本实施方式中，数据处理模块中的微处理器U1与输出控制模块中的继电器驱动芯片U5连接，U5与7个继电器(K1～K7)连接，继电器(K1～K7)分别与电路保护模拟模块、负载模拟灯模块、短路模拟模块、触点虚接模拟模块、过载模拟模块(第一过载模拟模块、第二过载模拟模块)、电弧模拟模块连接。具体做法为U1的7个I/O输出控制引脚(PA1～PA7)分别与U5的7个输入控制引脚(1B～7B)连接，U5的7个输出控制引脚(1C～7C)分别与继电器K1～K7的控制端连接。

本实施方式中，所述过载模拟模块包括第一过载模拟模块、第二过载模拟模块；数据处理模块通过输出控制模块控制第一过载模拟模块、第二过载模拟模块的通、断电，实现对不同程度过载现象的模拟演示；所述透明绝缘防护罩将第一过载模拟模块、第二过载模拟模块五面覆盖，另一面与所述演示板贴合。所述第一过载模拟模块包括电热丝R12和透明绝缘防护罩，输出控制模块中的继电器K6的输出端分别与R12和+5V电源连接；所述第二过载模拟模块包括电热丝R13和透明绝缘防护罩，输出控制模块中的继电器K7的输出端分别与R13和+5V电源连接。

所述短路模拟模块包括推拉式电磁铁K8、模拟零火线滑块、透明绝缘防护罩，输出控制模块中的继电器K3的输出端分别与推拉式电磁铁K8的输入端和+5V电源连接，推拉式电磁铁K8的输出端和模拟零火线滑块连接，当K3输出端闭合时推拉式电磁铁K8通电，推动模拟零火线滑块，实现对短路现象的模拟演示。数据处理模块通过输出控制模块控制模拟零火线滑块的分、合，实现对短路现象的模拟演示；所述透明绝缘防护罩将推拉式电磁铁、模拟零火线滑块五面覆盖，另一面与所述演示板贴合。

所述电弧模拟模块包括电离子球、球座，电离子球采用旋转拧紧方式安装固定在球座上，输出控制模块中的继电器K5的输出端分别与+5V电源、球座输入端连接，数据处理模块通过输出控制模块控制电离子球的通、断电，当K5输出端闭合时电离子球通电，实现对电弧故障现象的模拟演示。

所述触点虚接模拟模块包括推拉式电磁铁K9、活动式插头及插座、透明绝缘防护罩，数据处理模块通过输出控制模块控制推拉式电磁铁K9，完成活动式插头与插座间的接入、拔出，实现对触点虚接现象的模拟演示；所述透明绝缘防护罩将推拉式电磁铁、活动式插头、插座五面覆盖，另一面与所述演示板贴合。输出控制模块中的继电器K4的输出端分别与推拉式电磁铁K9的输入端和+5V电源连接，推拉式电磁铁K9的输出端和活动式插头连接，当K4输出端闭合时推拉式电磁铁K9通电，推动活动式插头，实现对触点虚接现象的模拟演示。

所述负载模拟灯模块包括负载模拟灯及其附属电路，输出控制模块中的继电器K2的输出端分别与+220V电源、负载模拟灯输入端连接，当K2输出端闭合时负载模拟灯通电，实现对电气回路通电、断电的模拟演示。

所述电路保护模拟模块包括电动断路器、辅助控制触点电路，输出控制模块中的继电器K1的输出端分别与+220V电源、电动断路器辅助控制触点输入端连接，当K1输出端断开时电动断路器辅助控制触点断电，电动断路器分闸，当K1输出端闭合时电动断路器辅助控制触点通电，电动断路器合闸，实现对断路器分闸保护、合闸通电的模拟演示。

本实施方式中，所述LED灯像素模块为集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源，其DIN管脚与数据处理模块或上一级LED灯像素模块的DOUT管脚连接，其DOUT管脚与下一级LED灯像素模块的DIN管脚连接或悬空；所有LED灯像素模块的VDD管脚与电源模块中的+5V连接，所有LED灯像素模块的VSS管脚与电源模块中的GND连接。如图3所示，数据处理模块中的微处理器U1的I/O管脚PA0-WKUP与动态演示灯模块中的首个LED灯像素模块LED1的DIN管脚连接，LED1的DOUT管脚与LED2的DIN管脚连接，以此类推，最末端的LED灯像素模块LEDN的DOUT管脚悬空；所有LED灯像素模块的VDD管脚与电源模块中的+5V连接，所有LED灯像素模块的VSS管脚与电源模块中的GND连接。微处理器U1通过I/O管脚PA0-WKUP的高低电平变化，控制每个LED灯像素模块的显示颜色及明暗状态，模拟实现电气回路中电流流动方向、正常工作状态、故障发生状态，配合所述过载模拟模块、短路模拟模块、电弧模拟模块、触点虚接模拟模块、温度检测模块、电路保护模拟模块实现对电气回路中的设备过载、线路短路、故障电弧、接触不良、线路超温、回路漏电等电气故障现象发生的原因及后果的动态模拟演示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。