论文题目：多功能近电预警手环设计
摘要：近电预警器作为常用的非接触式验电器,已被广泛应用在电力检修现场。当设备处于带电状态,近电预警器可以在作业人员越过安全距离时发出提示信号,以提醒作业人员退至安全区域。目前基于非接触验电的近电预警器原理和技术相对成熟,但仍存在一些不足之处,并且安全管理水平的提高对近电预警器的实时性需求和功能多样化需求越发显著,因此,研制一种能够实时监测、轻巧便携、功能丰富的腕式近电预警器,对作业人员的安全保障具有重要意义。论文以感应现象与畸变场为切入点,确定采用感应天线作为电场传感器,建立等效电路并确定感应天线设计尺寸;利用Maxwell仿真分析人体周围电场畸变,评估人体行走过程或小幅度摆臂动作影响电场的程度,验证了手腕式电场检测实现近电预警是可行的;用镜像电荷法分析输电线电场分布情况,并在Maxwell中对输电线各种工况进行仿真,得到不同的电场强度分布曲线;设计各模块电路和PCB,完成手环硬件制作,编写软件并进行系统调试。信号调理电路中,感应天线输出电场强度信号经过滤波、精密整流、程控放大等处理,送至控制器模数转换引脚;控制器对采集到信号进行数字滤波、计算比较,判断是否输出警示作业人员的报警信号。为方便检修作业监护,手环具备无线通信功能,可通过蓝牙将数据上传至监护监测平台APP,监护人员通过APP场强仪表盘查看实时数据,此外,APP可以将观察路径上场强数据以折线图形式呈现,帮助用户根据折线特征判断输电线运行情况。对所设计近电预警手环进行四组实验,包括模拟测试实验、校正实验、穿戴实验和电场分布特征监测实验。其中,穿戴实验又分别进行线性度实验、距离变化实验、人体摆臂动作影响实验。模拟测试实验结果表明感应天线的信号调理电路线性度良好,输入与输出信号电压之间的线性度接近于1.0;通过校正实验得到校正系数为43.36;穿戴实验结果表明,10kV电压等级环境中,近电预警手环在安全距离0.7m处能够及时报警,实现对电力作业人员的安全警示作用。人体手臂在摆动过程中,各角度处手环读数的平均值为395.6mV,标准差18.3mV,离散系数4.6%,检测稳定性好。电场分布特征监测实验中得到一条具有明显轮廓特征的电场分布曲线,符合仿真特征,证明该功能可用。综上,所设计的多功能手环可以实现近电预警、电场分布特征监测、时间显示以及手机端APP监护监测功能,达到预期的目的与要求,为高电压环境中的工作人员提供主动、有效的电力安全防护。
关键词：静电感应;近电预警;APP;镜像电荷法;电场分布特征
学科专业：电气工程（专业学位）
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.2 国外研究现状
1.2.3 国内外研究现状分析
1.3 论文研究内容及章节安排
2 理论分析和仿真研究
2.1 近电预警相关原理分析
2.1.1 带电体周围的电场强度
2.1.2 感应现象——畸变场
2.1.3 感应天线工作原理及等效电路
2.2 人体对电场影响的仿真研究
2.2.1 仿真模型的建立
2.2.2 人体周围电场畸变情况
2.2.3 人体行走对电场的影响
2.3 电场分布特征分析
2.3.1 输电线模型简化及仿真参数
2.3.2 镜像电荷法分析输电线下电场分布
2.3.3 输电线不同工况的仿真结果
2.4 计步原理
2.5 本章小结
3 手环硬件设计
3.1 系统框架
3.2 基础硬件模块
3.2.1 电池电源模块
3.2.2 控制器最小系统电路
3.2.3 时间显示模块
3.3 电场检测模块
3.4 蓝牙模块及通信天线
3.5 人机交互及报警模块
3.5.1 按键与显示屏
3.5.2 震动马达电路
3.6 运动检测模块
3.7 电磁兼容设计
3.8 外壳设计与装配
3.9 本章小结
4 软件设计
4.1 手环端控制器程序设计
4.1.1 近电预警实现流程
4.1.2 电场强度信号处理程序
4.1.3 计步程序与测试
4.2 监护监测平台APP设计
4.2.1 UI界面
4.2.2 蓝牙通信
4.3 本章小结
5 实验与数据分析
5.1 模拟测试实验
5.2 校正实验
5.3 穿戴实验
5.3.2 线性相关度实验
5.3.3距离变化实验
5.3.4 人体摆臂动作影响
5.4 电场分布特征监测实验
5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢