基于STM32的六氟化硫智能浓度监测仪设计

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1、 基于STM32的六氟化硫智能浓度监测仪设计 洪明虎 戴其华 冯友志摘 要: 本文设计了一种六氟化硫浓度智能监测系统,该系统基于STM32单片机开发,通过超声波传感器监测电力设备使用环境中的六氟化硫浓度,当出现浓度超标时,及时报警,确保人生安全。同时该系统结合人体感应传感器、语音播报系统,当有人接近设备时可语音播报当前六氟化硫浓度,做到实时提醒。Key:STM32 单片机;智能监测;报警*2021年泰州職业技术学院院级科研项目资助;项目号:TZYKY-21-17。六氟化硫(SF6)以其优异的绝缘和灭弧性能,被广泛用于电力工业的高压、超高压断路器和GIS(Gas Insulated Switch

2、gear,气体绝缘金属封闭开关设备)中,由于设备的制造、安装质量差异和设备老化等因素,SF6气体设备发生泄漏是一种普遍现象1。纯净的SF6气体无毒,在常温下化学性质稳定,实际操作中,泄漏的SF6被电击后将产生有毒气体,这不仅会危及电力安全,对大气环境造成极大危害,而且会造成低层空间缺氧使人窒息2,出于安全考虑,必须对泄漏的SF6气体浓度进行实时监测,传统的SF6气体浓度检测方法是采用气敏传感器进行检测,但气敏传感器的精度低、寿命短3,同时传统检测硬件系统在成本、功耗以及性能方面均不能满足当前需求,因此本文提出基于STM32的SF6实时监测设备设计。1 系统总体设计超声波在不同介质中,传播速度是

3、不同的,根据这一原理,当不同浓度的SF6气体和空气混合后,超声波通过固定距离所需时间与SF6浓度存在一定关系,通过所需时间长短反应SF6浓度4。本设计是一套集STM32单片机系统、超声波测量传感器、人体红外感应传感器、电源模块、以及显示模块设计成一体的SF6浓度监测系统,该设备可实现SF6浓度测量、温湿度监测以及触摸屏显示、超限语音报警等功能。当有人接近电力设备时,系统及时显示监测浓度值,当浓度超标时进行报警操作。2 硬件模块设计2.1 芯片及电源模块设计此次设计选用的是STM32F103C8T6型单片机,出自ST(意法半导体)公司,是一款基于Cortex-M3内核与ARMv7-M架构的32位

4、微控制器,时钟频率高达72 MHz,该芯片功耗低,外围IO口充足,同时具有9个通信接口5。单片机控制系统外围接口电路如图2,该系统外部采用8 M无源晶体振荡器作为其高速时钟,采用32.768 kKz的无源晶体振荡器作为RTC时钟。程序采用SWD烧写模式。单片机的电源引脚接3.3 V并就近放置一个0.1F的滤波电容。其余引脚分配给USART,ADC,I2C等外设。电源部分采用AC-DC模块,将市电交流220 V转换成12 V直流,配合压敏电阻,共模电感,滤波电容,提高了电路的安全性和稳定性,屏蔽了外部电源干扰造成整个系统的崩溃。由于系统内部功能模块采用5 V供电和3.3 V供电,因此次设计时采用

5、TI公司的TPS5430 DC-DC稳压芯片,将12 V电压降低至5 V,再利用LDO将5 V降低至3.3 V给单片机供电。具体电路设计如图3所示。2.2 传感器采集电路设计系统采用SZQ68型SF6传感器,是基于超声波吸收原理,具备高灵敏度,寿命长。其测量范围为02 000 ppm,测量精度为5%。该传感器输入供电电压为5 V,通信接口为串口。串口电平为3.3 V可以与单片机直连。硬件电路如图4所示。温湿度传感器为SHT30,供电电压为3.3 V,通信方式为I2C。由于STM32F1系列单片机的硬件I2C不稳定,容易造成锁死。此次设计中SHT30的引脚并未与单片机的I2C外设引脚直接相连接,

6、通过模拟I2C来读取温湿度,这在一定程度上造成了CPU性能的浪费。硬件电路如图5所示。考虑到智能化使用需求,该监测仪具备人体接近语音播报功能,当人体靠近被测环境时,人体红外感应传感器HC-SR501触发语音模块JR6001对当前监测值进行实时播报。人体红外感应传感器与语音模块供电电压均为5 V,硬件电路如图6、图7所示。为了保护单片机系统,人体红外感应模块触发电平输出与单片机引脚之间采用光耦隔离。3 系统软件设计本系统进行代码编写与软件调试均采用keil软件,主要程序流程图如图8所示。当设备电源开启后,系统各功能进行初始化,初始化完成后对系统参数进行读取,接下来就是对SF6传感器以及温湿度传感

7、器数据在不超标的情况下进行循环采集,采集过程中如发现泄漏超标,将实时通过报警器进行报警。在实时数据采集过程中,当有人接近时,语音播报系统将播报当前监测值。3.1 主程序4 系统调试进行初期硬件静态测试,确认各元器件焊点无虚焊、漏焊等不良现象,电源网络无短路后,通电进行硬件电路功能调试。待硬件电路功能基本实现后开始进行软件烧录、调试以及系统测试。如图所示实物系统测试,测试过程中,出现按键功能混乱问题,通过修正软件后解决该问题。5 结语基于STM32的SF6浓度智能监测仪设计,明确了设计需求,结合设计需求,对各功能模块进行硬件系统及软件系统设计,整个系统耗电量小,体积小、精度高,能满足电力行业监测

8、的实际要求,下一步计划采用5G物联网技术实现多点联控,APP内报警提示。Reference:1 郭利民,赵红梅,吕运朋,等.SF6气体泄漏环境在线智能检测系统的设计J.仪表技术与传感器,2011,(8):76-78.2 蔡艺剧,黄勇,尹遴,等.一种新的微量气体浓度检测方法J.化工自动化及仪表,2012,39(4):477-479.3 彭静.电力系统SF6气体泄露监测系统的设计J.电器工业, 2011,(2):47-50.4 张龙飞,韩方源,梁沁沁,等.基于超声法的微量SF6泄漏检测J.电子技术应用,2016,42(8):101-104.5 李芯怡,孫梦茹,郭思蔷,等. 基于STM32F103型单片机的新型车载护童报警装置设计J.电子设计工程,2021,5(10):101-104. -全文完-

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