高低壓變電柜異常環(huán)境監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)

孫曉磊

（中國(guó)人民大學(xué)，北京100872）

隨著社會(huì)的發(fā)展以及人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，用電量每年都在成幾何數(shù)字增長(zhǎng)。這也使供電設(shè)備以及高低壓變電柜數(shù)量急劇增加，由于在某些地區(qū)工作環(huán)境惡劣，高低壓變電柜發(fā)生火災(zāi)的概率極高。因此在封閉空間內(nèi)安置一個(gè)可以檢測(cè)內(nèi)部工作環(huán)境，并作出相應(yīng)處理反應(yīng)的封閉安全系統(tǒng)就有了巨大的價(jià)值，并且相關(guān)產(chǎn)品在市面上并沒(méi)有出現(xiàn)，商業(yè)潛力巨大，對(duì)于公共財(cái)產(chǎn)的保護(hù)以及人身安全的保障都有十分重要的意義。

1 研究意義

為了防止高低壓變電柜內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的這一情況，需要一種能監(jiān)測(cè)變電柜內(nèi)部工作環(huán)境狀況，并在遇到險(xiǎn)情能做出及時(shí)反映的設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)，從而降低火情的發(fā)生概率，減少災(zāi)害損失。

封閉空間安全系統(tǒng)主要目的就是在復(fù)雜工作情況下對(duì)于工作環(huán)境的溫度因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)預(yù)定安全溫度時(shí)就會(huì)聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置，并且啟動(dòng)滅火器進(jìn)行內(nèi)部的一級(jí)聯(lián)動(dòng)滅火。由于高低壓變電柜內(nèi)部都是膠質(zhì)電纜電線(xiàn)，在有明火時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙，利用煙霧傳感器進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)內(nèi)部工作狀態(tài)，即當(dāng)檢測(cè)到內(nèi)部有煙霧時(shí)，也啟動(dòng)滅火器進(jìn)行內(nèi)部滅火，達(dá)到降低火情，減少災(zāi)害損失的目的。

2 封閉空間安全系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀

由于高低壓變電柜工作環(huán)境常常被人們忽略，現(xiàn)在在市面上并沒(méi)有一款可以實(shí)際應(yīng)用的變電柜安全系統(tǒng)的存在，在參考了實(shí)際項(xiàng)目中的相關(guān)應(yīng)用以及結(jié)合了現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)之后，涉及到封閉空間安全系統(tǒng)的研究主要集中在如何測(cè)量溫度參數(shù)，煙霧濃度參數(shù)方面上。對(duì)于煙霧濃度的測(cè)量可以采取煙霧傳感器直接測(cè)量，現(xiàn)在市面上大多的煙霧傳感器精度非常高，適用于在復(fù)雜環(huán)境中的煙霧測(cè)量。而當(dāng)前工業(yè)測(cè)量溫度的方式主要有兩種：接觸式測(cè)量和非接觸測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用非接觸式TP100傳感器。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，一個(gè)良好穩(wěn)定的電源以及合理的電源管理是非常重要的，在電路中使用的電壓有以下幾種：CPU 內(nèi)部數(shù)字電路電壓1.8V,滅火器工作電壓24V, STC15 芯片工作電壓和外部器件的工作電壓5V。

3.2 儀表放大電路原理

儀表放大電路是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益電路，儀表放大器結(jié)構(gòu)使它具有低線(xiàn)性誤差、高共模抑制比、低噪聲、高輸入阻抗、低失調(diào)漂移增益并且設(shè)置靈活和使用方便的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、傳感器信號(hào)放大、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。

儀表放大電路的特點(diǎn)是:a. 儀表放大器具有很高共模抑制比，CMRR 的典型值為70～100 dB 以上。b.高輸入阻抗：儀表放大電路必須具有相當(dāng)高的輸入阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端阻抗都需要很高而且相互平衡，其典型值為10^9～10^12Ω。c.低線(xiàn)性誤差：輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過(guò)外部的調(diào)整來(lái)修正，但是線(xiàn)性誤差是器件固有缺陷，它不能由外部調(diào)整來(lái)消除。一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線(xiàn)性誤差為0.01%，有的甚至低于0.0001%。d.低失調(diào)電壓/失調(diào)電壓漂移：儀表放大器失調(diào)漂移是由輸入和輸出兩部分組成的，輸入和輸出失調(diào)電壓的典型值分別為100μV 和2 mV。e.充裕帶寬:儀表放大器為特定應(yīng)用提供了良好的帶寬，典型的單位增益小信號(hào)帶寬在500K 赫茲～4M赫茲之間。

3.3 三級(jí)管開(kāi)關(guān)控制原理

三極管的種類(lèi)非常多，并且不同的型號(hào)會(huì)各有不同的用途?，F(xiàn)在市面上的三極管大都是塑料封裝或者金屬封裝，常見(jiàn)三極管是NPN 型三極管或者是PNP 型三極管。三極管工作在三種不同的模式：線(xiàn)性放大模式、截止模式及飽和模式。當(dāng)三極管作為控制開(kāi)關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)工作在飽和的模式下，而斷開(kāi)時(shí)工作的截止的模式下。利用對(duì)于三極管基極的控制，來(lái)控制三極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，達(dá)到開(kāi)啟或關(guān)閉滅火器的目的。

3.4 最終設(shè)計(jì)方案

使用STC15F2K60S2 微處理器作為主控芯片，使用三極管8050 控制滅火器開(kāi)關(guān)，使用穩(wěn)壓直流電源為電路提供24V 的電壓，完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中將設(shè)置兩路溫度傳感器配合溫度的檢測(cè)，一路煙霧探測(cè)器進(jìn)行煙霧的探測(cè)，另一路剩余電流量的檢測(cè)。在兩條溫度探測(cè)電路中，開(kāi)始進(jìn)入時(shí)的檢測(cè)電壓較小，單片機(jī)無(wú)法直接檢測(cè)其數(shù)值大小，所以經(jīng)過(guò)了儀表放大電路進(jìn)行電壓范圍放大，使其可以達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。煙霧探測(cè)器使用的開(kāi)關(guān)量，在有煙霧報(bào)警時(shí)，將會(huì)導(dǎo)通光耦開(kāi)關(guān)，在光耦接收器端進(jìn)行斷開(kāi)閉合檢測(cè)。

4 可行性分析

4.1 技術(shù)可行性

本設(shè)計(jì)主要是在硬件相關(guān)的實(shí)現(xiàn)，使用宏晶STC15F2K60S2型MCU 作為主控芯片，該芯片工作電壓為5.5V-4.2V，擁有大容量SRAM (此芯片有2K)，以及60K BYTE 的FLASH,2 個(gè)串行口，10 位AD,3 個(gè)定時(shí)器，3 通道外部中斷。

4.2 經(jīng)濟(jì)可行性

宏晶STC15F2K60S2 型MCU LQFP44 價(jià)格在4.4 元人民幣左右，且在工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下工作穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)。其他元件的價(jià)格相對(duì)較低，同樣適用于大批量生產(chǎn)。

4.3 操作可行性

圖1 儀表放大電路

本設(shè)計(jì)是基于硬件的系統(tǒng)調(diào)試，只需要搭建好相應(yīng)的硬件電路，即可完成相應(yīng)的基本設(shè)計(jì)，同時(shí)需要編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，使電路工作正常，由于外界不需要太多的輔助儀器，且工作相對(duì)獨(dú)立，不需要人為干預(yù)，操作可行性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)上分為六個(gè)部分：LED 狀態(tài)顯示模塊，LM2575 電源管理模塊，TP100測(cè)溫電阻檢測(cè)模塊，煙霧傳感器檢測(cè)模塊，滅火器控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。在TP100 測(cè)溫檢測(cè)模塊中，使用了儀表放大電路對(duì)小電壓進(jìn)行兩級(jí)放大，在將放大的電壓轉(zhuǎn)送至MCU 進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)查表的方式算出實(shí)際的溫度，并根據(jù)溫度值，判斷當(dāng)前的工作狀態(tài)，如果超出了設(shè)定的溫度值將會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，打開(kāi)滅火器進(jìn)行滅火。

5 模塊化電路設(shè)計(jì)

5.1 LED 狀態(tài)顯示模塊

LED 發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管其中的一種，它可以將電能轉(zhuǎn)化成為光能。LED 發(fā)光二極管與普通二極管同樣是由一個(gè)PN 結(jié)組成的，也就是說(shuō)有單向?qū)ㄐ浴．?dāng)給二極管加上正向電壓后，從P 區(qū)注入到N 區(qū)的空穴的電子以及由N 區(qū)注入到P 區(qū)的電子，N 區(qū)的電子和P 區(qū)的電子在空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的亮熒光。同氖燈和白熾燈泡相比，發(fā)光二極管它的特點(diǎn)是：工作電壓極低；抗震性和抗沖擊能好、壽命長(zhǎng)、可靠性高；工作電流非常??；通過(guò)控制通過(guò)的電流的強(qiáng)弱可以方便地控制發(fā)光的強(qiáng)弱。

5.2 LM2576 電源管理模塊

LM2576 電源管理模塊使用的是固定輸出5V 電壓的LM2576-5 型穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)模塊，具有輸出電壓穩(wěn)定、外部需要的器件少、供電電流足的優(yōu)點(diǎn)。這一系列的穩(wěn)壓器是單片的集成電路元件，它可以提供降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的各種相應(yīng)的功能，并且有著優(yōu)異的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)整能力。LM2576 的內(nèi)部有頻率補(bǔ)償器以及固定頻率振蕩器，它可以將外部元件數(shù)目減少到最少，使用非常簡(jiǎn)便。LM2576 的特征包括在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下可以保證輸出電壓的±4%誤差，振蕩器頻率±10%的誤差。同時(shí)，LM2576 還包括外部的關(guān)斷電路，以及50uA 的待機(jī)電流等。在本電路中外部輸入電壓從24V 電壓轉(zhuǎn)換為5V 的電壓，為STC15 單片機(jī)提供工作電源。

5.3 TP100 測(cè)溫電阻檢測(cè)模塊

TP100 測(cè)溫電阻測(cè)溫模塊采取了儀表放大電路實(shí)現(xiàn)了將小電壓放大10 倍之后得到單片機(jī)可以檢測(cè)到良好的大寬度電壓。本電路中共有兩組溫度檢測(cè)電路，測(cè)溫電路的輸出值接在了輸入端子上，得到的放大電壓輸入到單片機(jī)之后使用內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，并通過(guò)查表法得到相應(yīng)的電壓值，從而測(cè)出實(shí)際電壓。如圖1，在放大電路中使用了四路運(yùn)算放大器LM324 來(lái)進(jìn)行兩級(jí)電壓放大，LM324 內(nèi)部有四路獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可以單電源接入，也可以使用雙電源接入。根據(jù)儀表放大電路放大倍數(shù)的結(jié)論，當(dāng)電阻R21=R22，R16=R17，R12=R13 時(shí)，A(放大倍數(shù))=-R21/R16*(1+2*(R12/R1))。即在這個(gè)電路中從輸入端到輸出端電壓大于放大了20 倍左右。儀表放大電路的輸入端接入的是一個(gè)惠斯通電橋，惠斯通電橋（單臂電橋）是一種可以用來(lái)精確測(cè)量電阻的電路。從原理上看，惠斯通電橋更加精準(zhǔn)，它避開(kāi)了電源隨著時(shí)間變化所造成的誤差。同時(shí)，惠斯通電橋還避開(kāi)了電壓分流，電流分壓以及過(guò)多導(dǎo)線(xiàn)分壓的弊端，因?yàn)閷?duì)需要電壓不敏感，所以即使很低的輸入電壓仍舊可以精確測(cè)量出阻值的變化，功耗極低。由于TP100 的阻值在溫度變化時(shí)是線(xiàn)性的，所以只需要知道阻值大小即可得到相應(yīng)的溫度，利用惠斯通電橋，可精確且方便的得出TP100 當(dāng)前的阻值大小。

5.4 滅火器控制模塊

滅火器控制模塊使用的是一個(gè)光耦以及一個(gè)三極管組成的組合電路控制滅火器的開(kāi)關(guān)。光耦是以光作為媒介傳輸電信號(hào)，目前是用途非常廣泛的器件之一。當(dāng)內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，被光探測(cè)器接收到，產(chǎn)生了光電流，從輸出端流出從而實(shí)現(xiàn)了“電- 光- 電”的轉(zhuǎn)換。它具有抗干擾極強(qiáng)、沒(méi)有觸點(diǎn)、輸出和輸入之前隔離、體積小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)電路中使用光耦使三極管的開(kāi)閉不會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生電泳影響，提高了電路的穩(wěn)定性。

當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度超過(guò)預(yù)訂值或者檢測(cè)到煙感信號(hào)時(shí)，控制引腳輸出低電平，經(jīng)過(guò)反相器之后，輸入到光耦的輸入端為高電平，光耦導(dǎo)通。此時(shí)在三極管的基極就有了導(dǎo)通電流，三極管集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，打開(kāi)滅火器控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)滅火器滅火的動(dòng)作。

由于在某些情況下可能出現(xiàn)電路損壞現(xiàn)象，為了應(yīng)對(duì)這種情況的出現(xiàn)，采取了使用按鍵直接開(kāi)啟滅火器的方式解決。

5.5 煙霧傳感器模塊

煙霧傳感器的原理是火災(zāi)場(chǎng)所發(fā)生的煙霧進(jìn)入到監(jiān)測(cè)電離室時(shí)，在電離室中的檢測(cè)源镅241 放射的α 射線(xiàn)，這使電離室內(nèi)空氣分離成正負(fù)離子。當(dāng)煙霧進(jìn)入時(shí)，由于內(nèi)外電離室因極性相反，所產(chǎn)生離子電流的保持相對(duì)穩(wěn)定，這時(shí)候處于平衡狀態(tài)；火災(zāi)發(fā)生初期釋放氣溶膠亞微粒子及可見(jiàn)煙霧大量進(jìn)入檢測(cè)電離室時(shí)，它們吸附并中和正負(fù)離子，使電離電流會(huì)急劇減少，改變電離平衡狀態(tài)從而輸出檢測(cè)電信號(hào)，經(jīng)后級(jí)電路處理識(shí)別之后，發(fā)出報(bào)警，并向配套監(jiān)控系統(tǒng)輸出報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào)。

由于現(xiàn)在市面上已經(jīng)有非常成熟的煙霧傳感器模塊，這里選擇BRJ-301L 型煙霧傳感器。它是獨(dú)立型煙霧報(bào)警器，靜態(tài)電流小于10uA,工作電流小于30mA,工作時(shí)間大于1 年。這種煙霧報(bào)警器，可以通過(guò)地址編碼實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)連接，非常適用于在封閉空間中對(duì)于煙霧的檢測(cè)。我們基于煙霧報(bào)警器在常閉的狀態(tài)下設(shè)計(jì)了煙霧傳感器的相關(guān)電路。由于煙霧報(bào)警器的電路是工作在24V 的電壓下，而STC 15 單片機(jī)檢測(cè)信號(hào)是5V,為了能使煙霧傳感器在感知到有煙霧時(shí)，做出閉合動(dòng)作，采取了使用光耦隔離的方式。

5.6 程序設(shè)計(jì)結(jié)果

由于STC15 單片機(jī)運(yùn)行速度較快，循環(huán)檢測(cè)一次的時(shí)間小于0.1 秒，完全可以用來(lái)溫度變化量相對(duì)較慢的測(cè)量參數(shù)。對(duì)于煙感參數(shù)的測(cè)量，由于煙感對(duì)于時(shí)間要求不高，同樣適用，STC15 單片機(jī)反應(yīng)速度可以達(dá)到預(yù)期要求。在出現(xiàn)報(bào)警事件時(shí)，系統(tǒng)非?？斓淖龀隽藞?bào)警動(dòng)作，開(kāi)啟了滅火器進(jìn)行滅火。

6 結(jié)論

在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)了在較為惡劣的封閉空間中溫度和煙感等參數(shù)的測(cè)量。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)或者在空間中有煙霧時(shí)，使用微處理器判斷當(dāng)前環(huán)境是否發(fā)生了火災(zāi)險(xiǎn)情等。若判斷當(dāng)前環(huán)境中出現(xiàn)了火災(zāi)時(shí)，微處理器將會(huì)打開(kāi)滅火器，進(jìn)行滅火操作，防止火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，減少災(zāi)害損失。

同時(shí)，在本設(shè)計(jì)中使用了惠斯通電橋。在高精度測(cè)量電阻的阻值時(shí)，使用惠斯通電橋可以通過(guò)電壓或者電流的變化側(cè)面對(duì)應(yīng)出阻值的變化?；菟雇姌蛴捎谑菧y(cè)量?jī)山M橋臂的電壓或者電流差，所以它避開(kāi)因?yàn)殡娫醋兓鸬恼`差?；菟雇姌蜻€避開(kāi)了電壓分流，電流分壓的局限，能用較小的電壓測(cè)量出電阻的變化。

為了降低功耗，測(cè)量TP100 電阻的輸入電壓設(shè)置為2.5V，橋臂電阻為1K 歐姆，使得在惠斯通電橋的輸出端的電壓非常低。因此在設(shè)計(jì)中使用了儀表放大電路來(lái)進(jìn)行電壓的伏值放大。

在儀表放大電路的硬件設(shè)計(jì)中，使用了LM324 四路運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。LM324 內(nèi)部有四路獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可以單電源接入，也可以使用雙電源接入，使用起來(lái)相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單方便。在惠斯通電橋的輸出電壓范圍大約0～0.25V 左右，經(jīng)過(guò)放大電路放大大約20 倍，將電壓范圍擴(kuò)至0～4.5V，再利用單片機(jī)內(nèi)部的ADC 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程，得到了相對(duì)應(yīng)的溫度值。在控制滅火器開(kāi)關(guān)的方面，舍棄了使用繼電器的方式，轉(zhuǎn)而使用三極管控制滅火器的開(kāi)關(guān)。原因是三極管相對(duì)于繼電器來(lái)講，價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)、導(dǎo)通時(shí)間短。同時(shí)，由于在電路正常工作時(shí)，三極管處于斷開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)對(duì)功耗有較大的影響，相比繼電器更加適用于作為導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。為了防止三極管導(dǎo)通對(duì)其他電路的影響，在電路設(shè)計(jì)時(shí)還是用了光耦進(jìn)行光電隔離，使整個(gè)電路工作更加穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)主要解決了在封閉條件下火災(zāi)險(xiǎn)情的檢測(cè)問(wèn)題，且本系統(tǒng)工作獨(dú)立，可以不再人為的干預(yù)下實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、煙霧的檢測(cè)，并自行判斷是否發(fā)生了險(xiǎn)情。放置在工作環(huán)境惡劣的封閉空間中，可以大大降低險(xiǎn)情的發(fā)生概率，減少災(zāi)害損失。