基于STM32的12kV電力開(kāi)關(guān)柜模型結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)

唐子峻，陳俊江

（閩江學(xué)院 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108）

12kV電力設(shè)備被大范圍地應(yīng)用于發(fā)電廠、設(shè)備制造及輕工等各個(gè)行業(yè)中，其穩(wěn)定且安全的系統(tǒng)運(yùn)行和工作狀態(tài)本身就是現(xiàn)代用電設(shè)備的重要技術(shù)保障。隨著使用年限的增加和材料老化情況的不斷惡化，其存在的電氣風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

電力開(kāi)關(guān)柜所可能存在的突發(fā)性電氣事故風(fēng)險(xiǎn)主要可以認(rèn)為有兩個(gè)基本方面：其一，主要是對(duì)于電力開(kāi)關(guān)柜本身的結(jié)構(gòu)造成風(fēng)險(xiǎn)，比如：開(kāi)關(guān)柜排線的絕緣老化、短路、過(guò)電壓等；其二，主要是對(duì)于電力設(shè)備和工作人員的造成風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)這些電力開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)也是必不可少的。

本文采用傳感器技術(shù)完成對(duì)電力開(kāi)關(guān)柜的數(shù)據(jù)收集，采用通訊技術(shù)完成對(duì)電力開(kāi)關(guān)柜的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測(cè)工作。以上這些技術(shù)的采用，很好地解決電力開(kāi)關(guān)柜的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)，即使工作人員不在現(xiàn)場(chǎng)，也能準(zhǔn)確的得知電力開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，防患于未然[1]。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成框圖

開(kāi)關(guān)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（圖1）可以大致劃分為主要的5個(gè)模塊：處理模塊、傳感器模塊、繼電器模塊、顯示模塊以及通信模塊。

1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘介紹

1.2.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器RTC

圖1 電力開(kāi)關(guān)柜實(shí)時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和框架圖

圖2 RTC 框圖

設(shè)計(jì)利用STM32單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘日歷功能。該時(shí)鐘寄存器應(yīng)用連續(xù)技術(shù)，通過(guò)修改計(jì)數(shù)器的值，重新設(shè)置系統(tǒng)初始化時(shí)間。RTC模塊和時(shí)鐘配置系統(tǒng)（RCC_BDCR寄存器）是在后備區(qū)域，即在系統(tǒng)復(fù)位或從待機(jī)模式喚醒后RTC的設(shè)置和時(shí)間維持不變[10]。

RTC的簡(jiǎn)化框圖，如圖2所示。RTC由三個(gè)主要部分構(gòu)成：APB1接口和APB1總線、RTC預(yù)分頻模塊以及一個(gè)32位可編程計(jì)數(shù)器，可通過(guò)APB1總線對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫操作[11]。若設(shè)置RTC預(yù)分頻模塊的相應(yīng)允許位，則RTC可在每個(gè)TR_CLK周期中產(chǎn)生一個(gè)秒中斷。32位可編程計(jì)數(shù)器可以設(shè)置成初始化時(shí)間，按秒鐘計(jì)算，可以記錄4294967296 s，約為136年。

1.2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序

在RTC_Set（）函數(shù)中設(shè)置初始化日期與時(shí)間。系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始化RTC時(shí)鐘即RTC_Init（）函數(shù)，配置相關(guān)函數(shù)，使能秒中斷，監(jiān)測(cè)時(shí)鐘是否工作正常，在相應(yīng)的后備寄存器中寫入相關(guān)程序數(shù)據(jù)。初始化RTC時(shí)鐘后，開(kāi)始設(shè)置時(shí)鐘，以1970年1月1日為基準(zhǔn)，把之前設(shè)置的初始化的日期與時(shí)間轉(zhuǎn)換為秒鐘。利用RTC_Get（）函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別獲取年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，最后將數(shù)據(jù)傳送至LCD液晶屏，利用LCD液晶屏顯示。程序系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)框圖

1.3 溫濕度及電流電壓監(jiān)測(cè)模塊

1.3.1 溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

首先是單片機(jī)判斷該設(shè)備是否存在，單片機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，拉低數(shù)據(jù)線電位保持18 ms左右，然后再拉高數(shù)據(jù)線電位保持20 μs左右，然后繼續(xù)拉低數(shù)據(jù)線電位保持40 μs左右，最后返回一個(gè)響應(yīng)信號(hào)給單片機(jī)（圖4）。

確認(rèn)硬件設(shè)備正常后開(kāi)始進(jìn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸（圖5），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包里面包含40個(gè)位的溫濕度信號(hào)，濕度的整數(shù)小數(shù)各8（bit）、溫度的整數(shù)小數(shù)各8（bit）以及8（bit）的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位[11]。

1.3.2 電流電壓監(jiān)測(cè)模塊

圖4 溫濕度傳感器程序流程圖

圖5 溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)流程圖

電壓傳感器和電流傳感器均采用單線杜邦線連接單片機(jī)引腳接口，單片機(jī)通過(guò)引腳將引腳的模擬量轉(zhuǎn)化為引腳的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算得出ADC的數(shù)值（圖6）。

圖6 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

單片機(jī)端口電壓：ADC值×(3.3/4096)

由于電壓傳感器監(jiān)測(cè)的電壓值是實(shí)際測(cè)量電壓值的五分之一，所以實(shí)際電壓值為端口測(cè)量電壓值的5倍。

電壓傳感器的電壓值計(jì)算公式：

ADC值×(3.3/4096)×5 V

電流傳感器的電壓值計(jì)算公式：

當(dāng)電流傳感器沒(méi)有監(jiān)測(cè)到電流通過(guò)時(shí)，電壓值為設(shè)備供電電壓的1/2，分辨率為185 mA/V。

即：[ADC值×(3.3/4096)-VCC/2]/0.185 A

1.3.3 實(shí)時(shí)性和滯后性分析

實(shí)時(shí)性：溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從而控制散熱器、除濕器工作，防止開(kāi)關(guān)柜器件長(zhǎng)期處于高溫潮濕環(huán)境下工作。電流電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從而得知內(nèi)部線路是否正常連接，為線路漏電做預(yù)防。

滯后性：當(dāng)開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期處于高溫、潮濕環(huán)境，會(huì)加速器件的老化，從而引發(fā)事故的發(fā)生。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生漏電情況未能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，會(huì)引發(fā)電氣爆炸等安全事故問(wèn)題。

1.4 LCD顯示模塊

LCD液晶顯示器的軟件設(shè)計(jì)方面主要包含了初始化LCD顯示器、設(shè)置X、Y坐標(biāo)、清除存儲(chǔ)空間內(nèi)的LCD數(shù)據(jù)以及將寫入數(shù)據(jù)到LCD顯示器的存儲(chǔ)空間這4個(gè)主要步驟的操作過(guò)程（圖7）。

圖7 顯示屏模塊流程圖

1.5 除濕模塊

除濕模塊利用5 V的繼電器作為開(kāi)關(guān)，除濕器負(fù)端接繼電器常開(kāi)觸頭，繼電器信號(hào)口接STM32單片機(jī)信號(hào)I/O口（PA3），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制除濕器啟動(dòng)關(guān)斷的目的，5 mm的除濕器由變壓器220 V轉(zhuǎn)12 V的開(kāi)關(guān)電源提供電。

當(dāng)濕度大于等于80%時(shí)，將SMT32單片機(jī)信號(hào)I/O口（PA3）置1，（PA8）置0，閉合繼電器的常開(kāi)觸頭，接通除濕模塊，LED0燈點(diǎn)亮；當(dāng)濕度小于80%時(shí)，將信號(hào)I/O口置0，斷開(kāi)繼電器的常開(kāi)觸頭，斷開(kāi)除濕模塊，LED0燈滅。

1.6 散熱模塊

散熱模塊利用5 V的繼電器作為開(kāi)關(guān)，散熱風(fēng)扇負(fù)端接繼電器常開(kāi)觸頭，繼電器信號(hào)口接STM32單片機(jī)信號(hào)I/O口（PA4），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制散熱風(fēng)扇啟動(dòng)關(guān)斷的目的，散熱風(fēng)扇由變壓器220 V轉(zhuǎn)12 V開(kāi)關(guān)電源提供電。

當(dāng)溫度大于23 ℃，將STM32單片機(jī)信號(hào)I/O口（PA4）置1，（PD2）置0，閉合繼電器的常開(kāi)觸頭，接通散熱模塊，LED1燈點(diǎn)亮；當(dāng)溫度小于23 ℃時(shí)，將信號(hào)I/O口置0，斷開(kāi)繼電器的常開(kāi)觸頭，斷開(kāi)散熱模塊，LED1燈滅。

1.7 數(shù)據(jù)傳輸

單片機(jī)通I/O口PA9、PA10接USB-232數(shù)據(jù)線連接電腦。單片機(jī)通過(guò)CS（）函數(shù)向PC端發(fā)送一串16進(jìn)制的實(shí)時(shí)電氣變量：溫度、濕度、電壓、電流。CS（）函數(shù)如下，在CS（）函數(shù)中利用if語(yǔ)句控制單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間，利用printf語(yǔ)句發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在main函數(shù)中循環(huán)該函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 而XCOM V2.0通過(guò)監(jiān)測(cè)串口將數(shù)據(jù)顯示在主界面上，圖8上位機(jī)顯示界面。

圖8 上位機(jī)顯示界面

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 硬件電路的調(diào)試和結(jié)果分析

調(diào)試硬件電路的2個(gè)步驟主要分別表現(xiàn)為：靜態(tài)硬件調(diào)試和通電硬件調(diào)試。

2.1.1 靜態(tài)硬件調(diào)試

單片機(jī)靜態(tài)的硬件調(diào)試主要包括對(duì)單片機(jī)電源設(shè)備的檢查、溫濕度傳感器設(shè)備檢查、電流傳感器和電壓傳感器的設(shè)備檢查、繼電器的設(shè)備檢查。

⑴ 單片機(jī)電源的設(shè)備檢查：先把所有的用電設(shè)備從電路板上全部拔下來(lái)，然后給單片機(jī)電路板上5 V供電電源，最后按照接下來(lái)的順序用萬(wàn)用表檢查所有的電源入口電壓的電壓情況和出口電壓的電壓情況。

⑵ 溫濕度傳感器的設(shè)備檢查：先檢查確保溫濕度傳感器沒(méi)有出現(xiàn)任何的損壞，檢查供電電源線路是否正常，再根據(jù)線路連接直流電源和地線，最后連接上單片機(jī)的數(shù)據(jù)線。

⑶ 電流傳感器和電壓傳感器的檢查：先確保電流傳感器和電壓傳感器硬件正常，然后檢查供電電源，分別連接電源和地線，然后接上單片機(jī)。電流傳感器和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)連接，電壓傳感器和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行并聯(lián)連接。

⑷ 繼電器的設(shè)備檢查：先確保繼電器的供電電源是否正常，接地端必須與單片機(jī)同時(shí)接地，最后將開(kāi)關(guān)的控制線連接單片機(jī)的控制引腳端口。而開(kāi)關(guān)部分先將繼電器常開(kāi)端口和公共端口與控制電路進(jìn)行串聯(lián)，使其能開(kāi)關(guān)部分能夠正常地進(jìn)行控制散熱器和除濕器的自動(dòng)開(kāi)啟和自動(dòng)關(guān)閉。

2.1.2 通電硬件調(diào)試

所謂的通電硬件調(diào)試就是指在一臺(tái)單片機(jī)完成系統(tǒng)上電后，需要確認(rèn)單片機(jī)系統(tǒng)的每一個(gè)模塊和處理器等設(shè)備是否能夠正常工作，故要進(jìn)行測(cè)試。首先是的單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)算出星期、年月日、實(shí)時(shí)時(shí)間并在LCD顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；其次是通過(guò)溫濕度傳感器設(shè)備、電流傳感器設(shè)備、電壓傳感器設(shè)備的端口進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；然后在LCD顯示器上更新顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；最后加熱環(huán)境測(cè)試到達(dá)一定的閾值以此來(lái)判斷控制散熱器的繼電器和指示燈是否正常工作，加濕環(huán)境測(cè)試到達(dá)一定的閾值以此來(lái)判斷控制除濕器的繼電器和指示燈是否正常工作。

表1 傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

2.2 軟件調(diào)試

使用單片機(jī)軟件進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試，使得各個(gè)功能模塊完成單獨(dú)的調(diào)試并且成功后，再將這些各個(gè)功能模塊都進(jìn)行整合，進(jìn)行一個(gè)總體的單片機(jī)功能系統(tǒng)調(diào)試。

單片機(jī)系統(tǒng)軟件的調(diào)試過(guò)程主要是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

⑴ 編寫各個(gè)功能模塊程序，對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試。

⑵ 將前面編寫的程序集合到一個(gè)主程序里面進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。

本次使用的調(diào)試軟件是KEIL，首先在KEIL軟件編寫溫濕度及電流電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序和子程序，主程序經(jīng)過(guò)匯編后產(chǎn)生.Hex的格式文件，然后將生成的文件通過(guò)數(shù)據(jù)線燒寫到單片機(jī)中進(jìn)行硬件的調(diào)試。

3 誤差分析

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，其數(shù)值相差在1左右。

根據(jù)電流傳感器和電壓傳感器傳回的數(shù)據(jù)，由于精確到小數(shù)點(diǎn)后3位，隨著時(shí)間變化，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較小的波動(dòng)，與萬(wàn)用表數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

4 總結(jié)

在查閱相關(guān)的開(kāi)關(guān)柜資料，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)電力開(kāi)關(guān)柜的電氣量的監(jiān)測(cè)是十分重視的。本次課題的設(shè)計(jì)是制作開(kāi)關(guān)柜模型，以及基于STM32單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的電氣量的監(jiān)測(cè)，在其中利用到了GPIO以及延遲函數(shù)的使用方法，再到電流電壓的端口電壓的監(jiān)測(cè)從ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換的相關(guān)參數(shù)的配置，以及根據(jù)溫濕度傳感器時(shí)序圖來(lái)接收數(shù)據(jù)。測(cè)量得出實(shí)際結(jié)果與測(cè)量結(jié)果偏差不大，程序運(yùn)行成功。