CN220340830U - 一种便携式电气故障演示教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式电气故障演示教具，涉及用电安全和电子教具技术领域，解决现有技术中动态模拟演示效果不佳、安全性不足、不便于携带等问题，包括演示箱和集成安装在演示箱内部的数据处理模块、输出控制模块、动态演示灯模块、温度检测模块、手动控制模块、过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块和电源模块，数据处理模块分别与动态演示灯模块、手动控制模块和输出控制模块连接，输出控制模块通过四个继电器分别与过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块连接。本教具可模拟演示电气回路中的线路短路、设备过载、故障电弧、接触不良、回路漏电等电气故障现象，且可单人操作随身携带。

Description

一种便携式电气故障演示教具

技术领域

本实用新型涉及用电安全技术领域和电子教具领域，具体涉及一种便携式电气故障演示教具。

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。

公开号为CN107657878A的实用新型专利公开了一种电气火灾多发和抑制电气引火源的演示平台，该平台属于一款电气火灾模拟实验箱，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，但是该平台由于模拟功能专业性强、结构较复杂，导致其体积较大、抗震性偏弱，不便于携带。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的电气故障演示教具的动态模拟演示效果不佳、安全性不足、不便于携带等问题，提供一种便携式电气故障演示教具。

为解决上述问题，本实用新型采取如下的技术方案：

一种便携式电气故障演示教具，包括演示箱，还包括集成安装在演示箱内部的数据处理模块、输出控制模块、动态演示灯模块、温度检测模块、手动控制模块、过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块和用于为上述各个模块供电的电源模块，所述数据处理模块包括微处理器U1及其附属电路；

所述温度检测模块包括至少一个温度探头和至少一个温度探测器，所述温度探头的热敏信号输入端固定在所述过载模拟模块内部，所述温度探头的信号输出端与所述温度探测器的信号输入端连接，所述温度探测器根据信号输入端输入的温度信号实时显示所述过载模拟模块的当前温度；

所述动态演示灯模块包括依次级联的多个LED灯像素模块，且首个LED灯像素模块的DIN管脚与微处理器U1的I/O管脚连接，微处理器U1的I/O管脚输出高低电平信号至所述动态演示灯模块，控制所述动态演示灯模块进行动态灯光显示；

所述输出控制模块包括继电器驱动芯片U5和至少四个继电器，微处理器U1的四个I/O输出控制引脚分别与继电器驱动芯片U5的四个输入控制引脚连接，继电器驱动芯片U5的四个输出控制引脚分别与四个继电器连接，四个继电器分别与过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块连接，所述继电器驱动芯片U5根据微处理器U1输出的控制信号驱动对应的继电器闭合，控制所述过载模拟模块、所述短路模拟模块、所述故障电弧模拟模块、所述电路保护模拟模块进行模拟演示；

所述手动控制模块包括多组防静电控制按钮及其对应的操作示意图标，各个所述防静电控制按钮分别与微处理器U1的外部控制命令输入管脚连接，当其中一个防静电控制按钮被触发时，微处理器U1根据接收到的外部控制命令控制继电器驱动芯片U5驱动对应的继电器动作。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型所述的便携式电气故障演示教具，可模拟演示电气回路中的线路短路、设备过载、故障电弧、接触不良、回路漏电等电气故障，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)所述便携式电气故障演示教具中的外露带电部件，均采用不燃性透明绝缘防护罩防护，避免使用者误触，确保装置及使用者的安全；

(3)所述便携式电气故障演示教具可通过手动方式进行控制，可随时开始、终止任一电气故障的模拟演示，方便演示讲解；

(4)所述便携式电气故障演示教具采用带翻盖、锁扣的手提箱外观和轻量化设计，方便单人随身携带，非常适用于需要进行多场次、非固定地点的演示场合。

附图说明

图1为本实用新型其中一个实施例所提出的一种便携式电气故障演示教具的原理框图；

图2为本实用新型其中一个实施例中数据处理模块的电路原理图；

图3为本实用新型其中一个实施例中输出控制模块的电路原理图；

图4为本实用新型其中一个实施例中过载模拟模块的电路原理图；

图5为本实用新型其中一个实施例中短路模拟模块的电路原理图；

图6为本实用新型其中一个实施例中故障电弧模拟模块的电路原理图；

图7为本实用新型其中一个实施例中电路保护模拟模块的电路原理图；

图8为本实用新型其中一个实施例中动态演示灯模块的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在其中一个实施例中，如图1所示，在本实施例的便携式电气故障演示教具中，在演示箱内部集成安装有数据处理模块以及分别与数据处理模块连接的输出控制模块、动态演示灯模块和手动控制模块，还集成安装有温度检测模块、过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块。电源模块为上述各模块供电。

数据处理模块包括微处理器U1及其附属电路，微处理器U1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U1的I/O管脚与输出控制模块连接，通过I/O管脚输出控制信号至输出控制模块。可选地，本实施例中的微处理器U1采用意法半导体公司的STM32系列处理器，例如APM32F103RCT6型处理器等。

输出控制模块包括一个继电器驱动芯片U5、至少4个继电器(K1～K4)及附属电路。可选地，本实施例中的继电器驱动芯片U5可以采用ULN2003D1013TR型驱动器或者其他能够实现类似功能的驱动器实现。

温度检测模块包括至少1个温度探头、至少1个温度探测器；温度探头的热敏信号输入端固定在过载模拟模块内部，用于采集过载模拟模块的温度，温度探头的信号输出端与温度探测器的信号输入端连接，温度探测器根据信号输入端输入的温度信号实时显示过载模拟模块的当前温度。

动态演示灯模块包括依次级联的多个LED灯像素模块，还包括柔性导光条，LED灯像素模块嵌入在柔性导光条内，并且首个LED灯像素模块的DIN管脚与微处理器U1的I/O管脚连接，微处理器U1的I/O管脚输出高低电平信号至动态演示灯模块，控制动态演示灯模块进行动态灯光显示，动态演示灯模块可动态显示256色。

手动控制模块包括多组防静电控制按钮及起对应的操作示意图标，每个防静电控制按钮与对应的一个操作示意图标组合，对应一个外部控制命令。防静电控制按钮与数据处理模块中MCU的外部控制命令输入管脚连接，防静电控制按钮被触发后，数据处理模块即按照对应的外部控制命令控制输出控制模块中的对应继电器动作。通过手动控制模块实现了对便携式电气故障演示教具进行多样性的选择控制。

如图2至图7所示，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4个继电器K1～K4连接，继电器K1～K4分别与过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块连接。具体连接方式为微处理器U1的4个I/O输出控制引脚(PA1～PA4)分别与继电器驱动芯片U5的4个输入控制引脚(1B～4B)连接，继电器驱动芯片U5的4个输出控制引脚(1C～4C)分别与继电器K1～K4的控制端连接，继电器K1～K4分别与过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块连接。继电器驱动芯片U5根据微处理器U1输出的控制信号驱动对应的继电器闭合，进而控制过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块进行对应的模拟演示。

仍参见图2至图7，本实施例中防静电控制按钮设置为6组，微处理器U1与手动控制模块中的6组防静电控制按钮连接。具体连接方式为防静电控制按钮KEY1～KEY6各自的反馈引脚1分别与微处理器U1的6个I/O输出控制引脚(PB1～PB6)连接，KEY1～KEY6各自的反馈引脚2均与信号地线GND连接。

过载模拟模块包括加热电路、电路绝缘固定支架、不燃性透明绝缘防护罩，电路绝缘固定支架将加热电路固定在演示箱内，不燃性透明绝缘防护罩将加热电路、电路绝缘固定支架五面覆盖，另一面与演示箱的内部贴合。与过载模拟模块连接的继电器K1串接在加热电路中，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K1闭合时，加热电路导通，过载模拟模块实现对线路过载导致发热现象的模拟演示。进一步地，加热电路包括电热丝R1，继电器K1的输出端分别与电热丝R1的一端和+5V电源连接，电热丝R1的另一端接地，继电器K1和微处理器U1组成保护电路，微处理器U1对加热时间进行计时，当达到加热时间上限时控制继电器K1分断。

短路模拟模块包括推拉式电磁铁、用于模拟零线、火线的滑块、碳棒和不燃性透明绝缘防护罩，不燃性透明绝缘防护罩将推拉式电磁铁、滑块和碳棒五面覆盖，另一面与演示箱的内部贴合。2根碳棒分别固定在滑块上，输出控制模块中的继电器K2的输出端分别与推拉式电磁铁K5的输入端和+5V电源连接，推拉式电磁铁K5的输出端串接在两个滑块的驱动机构电路中，驱动机构电路用于控制滑块的驱动机构运动，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K2闭合时，推拉式电磁铁K5通电，驱动机构推动模拟零线、火线的滑块运动，分别固定在两个滑块上的2根碳棒实现物理接触，短路模拟模块实现对短路现象的模拟演示，同时继电器驱动芯片U5驱动与电路保护模拟模块连接的继电器K4闭合，电路保护模拟模块中的电动断路器Q1模拟分闸保护动作。

故障电弧模拟模块包括放电尖端A1、放电尖端A2、尖端绝缘固定支架和不燃性透明绝缘防护罩，不燃性透明绝缘防护罩将放电尖端A1、放电尖端A2、尖端绝缘固定支架五面覆盖，另一面与演示箱的内部贴合。放电尖端A1和放电尖端A2的两个尖端相对分别固定在尖端绝缘固定支架上，输出控制模块中的继电器K3的输出端分别与+5V电源、放电尖端A1连接，放电尖端A2与模拟地线GND连接，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K3闭合时，放电尖端A1、A2间产生5V电势差，导致放电尖端A1、A2间产生电弧，从而故障电弧模拟模块实现对电弧故障现象的模拟演示。

电路保护模拟模块包括电动断路器Q1、辅助控制触点电路和不燃性透明绝缘防护罩，不燃性透明绝缘防护罩将电动断路器Q1和辅助控制触点电路五面覆盖，另一面与演示箱的内部贴合。输出控制模块中的继电器K4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。当继电器驱动芯片U5驱动继电器K4断开时，电动断路器Q1的辅助控制触点断电，电动断路器Q1分闸；当继电器驱动芯片U5驱动继电器K4闭合时，电动断路器Q1辅助控制触点通电，电动断路器Q1合闸，数据处理模块通过输出控制模块控制辅助控制触点的通、断，使电路保护模拟模块实现对断路器分闸保护、合闸通电的模拟演示。

手动控制模块包括6组防静电控制按钮及对应的操作示意图标，分别为：短路接触控制按钮及短路接触图标、短路分断控制按钮及短路分断图标、线路过载控制按钮及线路过载图标、故障电弧控制按钮及故障电弧图标、接触不良控制按钮及接触不良图标、线路漏电控制按钮及线路漏电图标。当操作人员根据操作示意图标选择按下对应的防静电控制按钮，微处理器U1接收并识别该防静电控制按钮的反馈信号，并据此驱动输出控制模块、动态演示灯模块以及被按下的防静电控制按钮对应的模拟模块，进而实现对线路短路、设备过载、故障电弧、接触不良、回路漏电现象的模拟。

如图8所示，在本实施例中，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，在依次级联的多个LED灯像素模块中，除首个LED灯像素模块之外，其他LED灯像素模块的DIN管脚上一级LED灯像素模块的DOUT管脚连接，DOUT管脚与下一级LED灯像素模块的DIN管脚连接，最后一个LED灯像素模块的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。仍参见图8，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，配合过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块实现对电气回路中的线路短路、设备过载、故障电弧、接触不良、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。

进一步地，本实施例中的演示箱采用带翻盖和锁扣的手提箱，其材质采用轻量化材料，例如塑料或者铝合金等，方便单人随身携带，非常适用于需要进行多场次、非固定地点的演示场合。

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新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本新型的保护范围。因此，本新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种便携式电气故障演示教具，包括演示箱，其特征在于，还包括集成安装在演示箱内部的数据处理模块、输出控制模块、动态演示灯模块、温度检测模块、手动控制模块、过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块和用于为上述各个模块供电的电源模块，所述数据处理模块包括微处理器U1及其附属电路；

所述温度检测模块包括至少一个温度探头和至少一个温度探测器，所述温度探头的热敏信号输入端固定在所述过载模拟模块内部，所述温度探头的信号输出端与所述温度探测器的信号输入端连接，所述温度探测器根据信号输入端输入的温度信号实时显示所述过载模拟模块的当前温度；

所述动态演示灯模块包括依次级联的多个LED灯像素模块，且首个LED灯像素模块的DIN管脚与微处理器U1的I/O管脚连接，微处理器U1的I/O管脚输出高低电平信号至所述动态演示灯模块，控制所述动态演示灯模块进行动态灯光显示；

所述输出控制模块包括继电器驱动芯片U5和至少四个继电器，微处理器U1的四个I/O输出控制引脚分别与继电器驱动芯片U5的四个输入控制引脚连接，继电器驱动芯片U5的四个输出控制引脚分别与四个继电器连接，四个继电器分别与过载模拟模块、短路模拟模块、故障电弧模拟模块、电路保护模拟模块连接，所述继电器驱动芯片U5根据微处理器U1输出的控制信号驱动对应的继电器闭合，控制所述过载模拟模块、所述短路模拟模块、所述故障电弧模拟模块、所述电路保护模拟模块进行模拟演示；

所述手动控制模块包括多组防静电控制按钮及其对应的操作示意图标，各个所述防静电控制按钮分别与微处理器U1的外部控制命令输入管脚连接，当其中一个防静电控制按钮被触发时，微处理器U1根据接收到的外部控制命令控制继电器驱动芯片U5驱动对应的继电器动作。

2.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述过载模拟模块包括加热电路和用于将所述加热电路固定在所述演示箱内的电路绝缘固定支架，与所述过载模拟模块连接的继电器K1串接在所述加热电路中，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K1闭合时，所述加热电路导通，所述过载模拟模块实现对线路过载导致发热现象的模拟演示。

3.根据权利要求2所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述加热电路包括电热丝R1，电热丝R1的一端接地，另一端连接继电器K1的输出端，继电器K1的另一个输出端和+5V电源连接。

4.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述短路模拟模块包括推拉式电磁铁、碳棒和用于模拟零线、火线的滑块，每个滑块上固定一根碳棒，继电器K2的输出端分别与推拉式电磁铁的输入端和+5V电源连接，推拉式电磁铁的输出端串接在两个滑块的驱动机构电路中，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K2闭合时，推拉式电磁铁通电，驱动机构推动两个滑块运动，使两根碳棒物理接触，所述短路模拟模块实现对短路现象的模拟演示，同时继电器驱动芯片U5驱动与所述电路保护模拟模块连接的继电器K4闭合，使所述电路保护模拟模块模拟分闸保护动作。

5.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述故障电弧模拟模块包括放电尖端A1、放电尖端A2和尖端绝缘固定支架，放电尖端A1和放电尖端A2相对固定在尖端绝缘固定支架上，继电器K3的输出端分别与放电尖端A1和+5V电源连接，放电尖端A2与模拟地线GND连接，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K3闭合时，放电尖端A1和放电尖端A2之间产生电弧，所述故障电弧模拟模块实现对电弧故障现象的模拟演示。

6.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述电路保护模拟模块包括电动断路器和辅助控制触点电路，继电器K4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，当继电器驱动芯片U5驱动继电器K4断开时，电动断路器的辅助控制触点断电，电动断路器分闸；当继电器驱动芯片U5驱动继电器K4闭合时，电动断路器的辅助控制触点通电，电动断路器合闸，所述电路保护模拟模块实现对断路器分闸保护、合闸通电的模拟演示。

7.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述手动控制模块包括6组防静电控制按钮及其对应的操作示意图标，分别为短路接触控制按钮及短路接触图标、短路分断控制按钮及短路分断图标、线路过载控制按钮及线路过载图标、故障电弧控制按钮及故障电弧图标、接触不良控制按钮及接触不良图标、线路漏电控制按钮及线路漏电图标。

8.根据权利要求1所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，在依次级联的多个LED灯像素模块中，LED灯像素模块的DIN管脚与上一级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，最后一个LED灯像素模块的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。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述过载模拟模块、所述短路模拟模块、所述故障电弧模拟模块和所述电路保护模拟模块均包括不燃性透明绝缘防护罩。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的一种便携式电气故障演示教具，其特征在于，所述演示箱采用带翻盖和锁扣的手提箱。