基于STM32的六氟化硫智能濃度監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

洪明虎 戴其華 馮友志

摘 要： 本文設(shè)計(jì)了一種六氟化硫濃度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)開發(fā)，通過(guò)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)電力設(shè)備使用環(huán)境中的六氟化硫濃度，當(dāng)出現(xiàn)濃度超標(biāo)時(shí)，及時(shí)報(bào)警，確保人生安全。同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)合人體感應(yīng)傳感器、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)有人接近設(shè)備時(shí)可語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前六氟化硫濃度，做到實(shí)時(shí)提醒。

關(guān)鍵詞：STM32 單片機(jī)；智能監(jiān)測(cè)；報(bào)警

*2021年泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目資助；項(xiàng)目號(hào)：TZYKY-21-17。

六氟化硫（SF6）以其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，被廣泛用于電力工業(yè)的高壓、超高壓斷路器和GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備）中，由于設(shè)備的制造、安裝質(zhì)量差異和設(shè)備老化等因素，SF6氣體設(shè)備發(fā)生泄漏是一種普遍現(xiàn)象[1]。純凈的SF6氣體無(wú)毒，在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，實(shí)際操作中，泄漏的SF6被電擊后將產(chǎn)生有毒氣體，這不僅會(huì)危及電力安全，對(duì)大氣環(huán)境造成極大危害，而且會(huì)造成低層空間缺氧使人窒息[2]，出于安全考慮，必須對(duì)泄漏的SF6氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的SF6氣體濃度檢測(cè)方法是采用氣敏傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但氣敏傳感器的精度低、壽命短[3]，同時(shí)傳統(tǒng)檢測(cè)硬件系統(tǒng)在成本、功耗以及性能方面均不能滿足當(dāng)前需求，因此本文提出基于STM32的SF6實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲波在不同介質(zhì)中，傳播速度是不同的，根據(jù)這一原理，當(dāng)不同濃度的SF6氣體和空氣混合后，超聲波通過(guò)固定距離所需時(shí)間與SF6濃度存在一定關(guān)系，通過(guò)所需時(shí)間長(zhǎng)短反應(yīng)SF6濃度[4]。

本設(shè)計(jì)是一套集STM32單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波測(cè)量傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、電源模塊、以及顯示模塊設(shè)計(jì)成一體的SF6濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)SF6濃度測(cè)量、溫濕度監(jiān)測(cè)以及觸摸屏顯示、超限語(yǔ)音報(bào)警等功能。當(dāng)有人接近電力設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)顯示監(jiān)測(cè)濃度值，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警操作。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 芯片及電源模塊設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)選用的是STM32F103C8T6型單片機(jī)，出自ST（意法半導(dǎo)體）公司，是一款基于Cortex-M3內(nèi)核與ARMv7-M架構(gòu)的32位微控制器，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，該芯片功耗低，外圍IO口充足，同時(shí)具有9個(gè)通信接口[5]。

單片機(jī)控制系統(tǒng)外圍接口電路如圖2，該系統(tǒng)外部采用8 M無(wú)源晶體振蕩器作為其高速時(shí)鐘，采用32.768 kKz的無(wú)源晶體振蕩器作為RTC時(shí)鐘。程序采用SWD燒寫模式。單片機(jī)的電源引腳接3.3 V并就近放置一個(gè)0.1μF的濾波電容。其余引腳分配給USART，ADC，I2C等外設(shè)。

電源部分采用AC-DC模塊，將市電交流220 V轉(zhuǎn)換成12 V直流，配合壓敏電阻，共模電感，濾波電容，提高了電路的安全性和穩(wěn)定性，屏蔽了外部電源干擾造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。由于系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊采用5 V供電和3.3 V供電，因此次設(shè)計(jì)時(shí)采用TI公司的TPS5430 DC-DC穩(wěn)壓芯片，將12 V電壓降低至5 V，再利用LDO將5 V降低至3.3 V給單片機(jī)供電。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 傳感器采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SZQ68型SF6傳感器，是基于超聲波吸收原理，具備高靈敏度，壽命長(zhǎng)。其測(cè)量范圍為0～2 000 ppm，測(cè)量精度為±5%。該傳感器輸入供電電壓為5 V，通信接口為串口。串口電平為3.3 V可以與單片機(jī)直連。硬件電路如圖4所示。

溫濕度傳感器為SHT30，供電電壓為3.3 V，通信方式為I2C。由于STM32F1系列單片機(jī)的硬件I2C不穩(wěn)定，容易造成鎖死。此次設(shè)計(jì)中SHT30的引腳并未與單片機(jī)的I2C外設(shè)引腳直接相連接，通過(guò)模擬I2C來(lái)讀取溫濕度，這在一定程度上造成了CPU性能的浪費(fèi)。硬件電路如圖5所示。

考慮到智能化使用需求，該監(jiān)測(cè)儀具備人體接近語(yǔ)音播報(bào)功能，當(dāng)人體靠近被測(cè)環(huán)境時(shí)，人體紅外感應(yīng)傳感器HC-SR501觸發(fā)語(yǔ)音模塊JR6001對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)。人體紅外感應(yīng)傳感器與語(yǔ)音模塊供電電壓均為5 V，硬件電路如圖6、圖7所示。為了保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)，人體紅外感應(yīng)模塊觸發(fā)電平輸出與單片機(jī)引腳之間采用光耦隔離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)進(jìn)行代碼編寫與軟件調(diào)試均采用keil軟件，主要程序流程圖如圖8所示。當(dāng)設(shè)備電源開啟后，系統(tǒng)各功能進(jìn)行初始化，初始化完成后對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行讀取，接下來(lái)就是對(duì)SF6傳感器以及溫濕度傳感器數(shù)據(jù)在不超標(biāo)的情況下進(jìn)行循環(huán)采集，采集過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)泄漏超標(biāo)，將實(shí)時(shí)通過(guò)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，當(dāng)有人接近時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)將播報(bào)當(dāng)前監(jiān)測(cè)值。

3.1 主程序

4 系統(tǒng)調(diào)試

進(jìn)行初期硬件靜態(tài)測(cè)試，確認(rèn)各元器件焊點(diǎn)無(wú)虛焊、漏焊等不良現(xiàn)象，電源網(wǎng)絡(luò)無(wú)短路后，通電進(jìn)行硬件電路功能調(diào)試。待硬件電路功能基本實(shí)現(xiàn)后開始進(jìn)行軟件燒錄、調(diào)試以及系統(tǒng)測(cè)試。如圖所示實(shí)物系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)按鍵功能混亂問題，通過(guò)修正軟件后解決該問題。

5 結(jié)語(yǔ)

基于STM32的SF6濃度智能監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)，明確了設(shè)計(jì)需求，結(jié)合設(shè)計(jì)需求，對(duì)各功能模塊進(jìn)行硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)耗電量小，體積小、精度高，能滿足電力行業(yè)監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求，下一步計(jì)劃采用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)控，APP內(nèi)報(bào)警提示。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭利民，趙紅梅，呂運(yùn)朋，等.SF6氣體泄漏環(huán)境在線智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011，（8）：76-78.

[2] 蔡藝劇，黃勇，尹遴，等.一種新的微量氣體濃度檢測(cè)方法[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（4）：477-479.

[3] 彭靜.電力系統(tǒng)SF6氣體泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電器工業(yè)， 2011，（2）：47-50.

[4] 張龍飛，韓方源，梁沁沁，等.基于超聲法的微量SF6泄漏檢測(cè)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（8）：101-104.

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