基于STC單片機(jī)的六氟化硫檢測(cè)系統(tǒng)*

邱 磊，徐 磊，龔留專，汪向華

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著電力行業(yè)大規(guī)模地迅速發(fā)展，對(duì)于電力系統(tǒng)的保護(hù)也越來越引起人們的重視，各種具有控制和保護(hù)功能的開關(guān)型器件也應(yīng)運(yùn)而生，其中以高壓斷路器最為主要。近些年電氣設(shè)備無油化、小型化的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)中大量的高壓斷路器都采取了六氟化硫作為絕緣和滅弧介質(zhì)，雖然六氟化硫氣體有著極強(qiáng)的穩(wěn)定性和電負(fù)性，但是其在電弧作用下的諸多產(chǎn)物卻有著強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性，一旦斷路器中的氣體泄漏嚴(yán)重，若不能及時(shí)得知和得到有效的處理，必定會(huì)造成人員和財(cái)產(chǎn)的損失[1,2]。因此，對(duì)于斷路器中的六氟化硫氣體數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)有著十分重要的研究意義，并且也得到了人們高度的重視和研究。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用STC單片機(jī)作為主控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊，總體框圖如圖1所示[3]。

通過7ID-SF6六氟化硫傳感器對(duì)斷路器開關(guān)柜中六氟化硫氣體數(shù)據(jù)的采集，以及DHT11溫濕度傳感器對(duì)周圍溫度和濕度的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過I2C數(shù)據(jù)總線傳送給單片機(jī)，在通過LCD12864液晶顯示輸出的同時(shí)，與系統(tǒng)的設(shè)定值比較，一旦斷路器中的氣體出現(xiàn)異常，便會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路，告知相關(guān)人員，以達(dá)到對(duì)工作人員和財(cái)產(chǎn)的保護(hù)目的[4,5]。

圖1 總體原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 按鍵設(shè)置電路

設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵用于設(shè)置氣體參數(shù)的下限報(bào)警值，3個(gè)按鍵分別接在P2.4-P2.6口上，單片機(jī)通過檢測(cè)P2.4-P2.6口是否有低電平出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入按鍵的檢測(cè)。3個(gè)按鍵分別代表設(shè)置按鍵、數(shù)值減和數(shù)值加，按下一次，對(duì)應(yīng)值在+1間浮動(dòng)變化，按鍵電路見圖2所示。

圖2 按鍵設(shè)置電路

2.2 溫濕度采集電路

系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器對(duì)六氟化硫氣體的工作環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器具有成本低、長期穩(wěn)定、相對(duì)濕度和溫度測(cè)量、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、精確校準(zhǔn)、信號(hào)傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)。

供電電壓約為3.5V～5.5V的直流電壓和0.3 mA的電流，相對(duì)濕度的分辨率達(dá)1%RH，25 ℃下精度為±5%RH；溫度的分辨率為1 ℃，25 ℃下的精度為±2 ℃。采用簡(jiǎn)化的單總線通信，通常要求外接一個(gè)約5.1 kΩ的上拉電阻，這樣在總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。其電路圖如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器電路圖

2.3 六氟化硫采集電路

系統(tǒng)采用7ID-SF6智能型六氟化硫氣體傳感器，通過紅外檢測(cè)，量程約為0～1500、2000ppm，精度±3%，工作電壓為5V±1%，具有精度高、準(zhǔn)確性好、帶溫度補(bǔ)償、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足六氟化氣體檢測(cè)的要求。系統(tǒng)采用I2C總線的傳送方式，GND接-5V；RX和TX分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的TXD和RXD；定義P1.1為SCL控制線、P1.2為SDA數(shù)據(jù)線，SDA和SCL分別接一個(gè)上拉電阻，阻值約為2～10 kΩ；VOUT電壓輸出至P1.3，電路圖如圖4所示。

圖4 六氟化硫傳感器接線圖

2.4 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)的液晶電路用于顯示采集的溫濕度數(shù)值、六氟化硫氣體濃度以及設(shè)定值。12864與單片機(jī)采用5條位控制總線8位并行數(shù)總線輸入輸出。單片機(jī)通過P0口和液晶的數(shù)據(jù)線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后，先通過按鍵模塊進(jìn)行報(bào)警的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，傳感器開始采集信息，并將采集到的信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到信息進(jìn)行液晶顯示，同時(shí)將采集到的氣體參數(shù)與設(shè)置值相對(duì)比，當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警[6]。流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，該實(shí)驗(yàn)將斷路器置于一類似于開關(guān)柜的容器中，由于斷路器本身氣體的微小泄漏量以及氣體分子的運(yùn)動(dòng)，容器中的六氟化硫氣體濃度處于一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。先將斷路器放置24 h后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表1 氣體含量測(cè)試

根據(jù)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性實(shí)驗(yàn)規(guī)程》及GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 12022—2006《工業(yè)六氟化硫標(biāo)準(zhǔn)》的基本精神指出，開關(guān)設(shè)備六氟化硫斷路器年泄漏率不得大于0.5%。在采用局部包扎法測(cè)得的24 h之后，每個(gè)包扎腔里六氟化硫含量不得大于30ppm才算合格[7]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高壓斷路器中六氟化硫氣體的泄漏量檢測(cè)系統(tǒng)，具有成本低、響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，由于斷路器本身就存在著微量氣體分子泄漏，通過對(duì)這些泄漏氣體的監(jiān)控，將傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，進(jìn)行顯示，使得工作人員時(shí)刻能夠了解斷路器中六氟化硫氣體泄漏的狀況，一旦泄漏量出現(xiàn)異常，與設(shè)定值有偏差，即刻通過蜂鳴器報(bào)警，告知相關(guān)人員，尤其對(duì)室內(nèi)人員的安全有了保障，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要意義。