基于STM32的六氟化硫智能濃度監測儀設計*

*2021年泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目資助；項目號：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(kāi)關(guān)設備）中，由于設備的制造、安裝質(zhì)量差異和設備老化等因素，SF₆ 氣體設備發(fā)生泄漏是一種普遍現象^[1]。純凈的SF₆氣體無(wú)毒，在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩定，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，必須對泄漏的SF₆ 氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，傳統的SF₆ 氣體濃度檢測方法是采用氣敏傳感器進(jìn)行檢測，但氣敏傳感器的精度低、壽命短^[3]，同時(shí)傳統檢測硬件系統在成本、功耗以及性能方面均不能滿(mǎn)足當前需求，因此本文提出基于STM32 的SF₆ 實(shí)時(shí)監測設備設計。

1   系統總體設計

超聲波在不同介質(zhì)中，傳播速度是不同的，根據這一原理，當不同濃度的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(cháng)短反應SF₆ 濃度^[4]。

本設計是一套集STM32 單片機系統、超聲波測量傳感器、人體紅外感應傳感器、電源模塊、以及顯示模塊設計成一體的SF₆ 濃度監測系統，該設備可實(shí)現SF₆濃度測量、溫濕度監測以及觸摸屏顯示、超限語(yǔ)音報警等功能。當有人接近電力設備時(shí)，系統及時(shí)顯示監測濃度值，當濃度超標時(shí)進(jìn)行報警操作。

2   硬件模塊設計

2.1 芯片及電源模塊設計

此次設計選用的是STM32F103C8T6 型單片機,出自ST（意法半導體）公司，是一款基于Cortex-M3 內核與ARMv7-M 架構的32 位微控制器，時(shí)鐘頻率高達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]。

單片機控制系統外圍接口電路如圖2，該系統外部采用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(xiě)模式。單片機的電源引腳接3.3 V 并就近放置一個(gè)0.1 μF 的濾波電容。其余引腳分

配給USART，ADC，I2C 等外設。電源部分采用AC-DC模塊，

圖2 控制系統電路

將市電交流220 V 轉換成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定性，屏蔽了外部電源干擾造成整個(gè)系統的崩潰。由于系統內部功能模塊采用5 V 供電和3.3 V 供電，因此次設計時(shí)采用TI 公司的TPS5430 DC-DC 穩壓芯片，將12 V 電壓降低至5 V，再利用LDO 將5 V 降低至3.3 V給單片機供電。具體電路設計如圖3 所示。

圖3 電源電路

2.2 傳感器采集電路設計

系統采用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(cháng)。其測量范圍為0~2 000 ppm，測量精度為±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 可以與單片機直連。硬件電路如圖4 所示。

圖4 SF₆傳感器電路

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 系列單片機的硬件I2C 不穩定，容易造成鎖死。此次設計中SHT30 的引腳并未與單片機的I2C 外設引腳直接相連接，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。硬件電路如圖5 所示。

圖5 SHT30電路

考慮到智能化使用需求，該監測儀具備人體接近語(yǔ)音播報功能，當人體靠近被測環(huán)境時(shí)，人體紅外感應傳感器HC-SR501 觸發(fā)語(yǔ)音模塊JR6001 對當前監測值進(jìn)行實(shí)時(shí)播報。人體紅外感應傳感器與語(yǔ)音模塊供電電壓均為5 V，硬件電路如圖6、圖7 所示。為了保護單片機系統，人體紅外感應模塊觸發(fā)電平輸出與單片機引腳之間采用光耦隔離。

圖6 人體紅外感應模塊電路

圖7 語(yǔ)音模塊

3   系統軟件設計

本系統進(jìn)行代碼編寫(xiě)與軟件調試均采用keil 軟件，主要程序流程圖如圖8 所示。當設備電源開(kāi)啟后，系統各功能進(jìn)行初始化，初始化完成后對系統參數進(jìn)行讀取，接下來(lái)就是對SF₆ 傳感器以及溫濕度傳感器數據在不超標的情況下進(jìn)行循環(huán)采集，采集過(guò)程中如發(fā)現泄漏超標，將實(shí)時(shí)通過(guò)報警器進(jìn)行報警。在實(shí)時(shí)數據采集過(guò)程中，當有人接近時(shí)，語(yǔ)音播報系統將播報當前監測值。

3.1 主程序

STM32 模塊主程序典型代碼如下 ：

u16 SF6_DATA,SF6_POLL_CNT=0; // 定義輪詢(xún)計數和SF6 數據初始化

u8 IR_CNT=60; // 定義有人計時(shí)

u8 Threshold_STA=0;// 定義閾值更新標志位/* 定時(shí)器4 中斷回調函數*/

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

　　if(htim->Instance == TIM4)

{

if(READ_IR==0)

{

SF6_POLL_CNT=0；

IR_CNT++；

}

// 當感應到附近有人存在時(shí)輪詢(xún)計數歸零，有人計時(shí)累加

else

{

SF6_POLL_CNT++;

IR_CNT=0；

} // 附近無(wú)人輪詢(xún)計數累加，有人計時(shí)歸零if（KEY_ON==1） // 當按鍵寄存器被按下，按鍵計數累加

{

KEY_CNT++; // 按鍵計數每秒累加

}

　　}

}

int main(void)

{

HAL_Init(); //HAL 庫初始化

SystemClock_Config(); // 系統時(shí)鐘初始化

MX_GPIO_Init(); //GPIO 引腳初始化

MX_DMA_Init(); //DMA 初始化

MX_ADC1_Init(); //ADC 初始化

MX_TIM3_Init(); // 定時(shí)器3 初始化，用于us延時(shí)

MX_TIM4_Init(); // 定時(shí)器4 初始化，1S 定時(shí)，用于輪詢(xún)SF6 測量數值

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);// 開(kāi)啟定時(shí)器4中斷

MX_USART1_UART_Init();// 串口1 初始化，用于播放語(yǔ)音報警

MX_USART3_UART_Init();// 串口3 初始化，用于SF6 傳感器通信

FLASH_READ(); // 讀取單片機內部FLASH 存儲的SF6 報警閾值

OLED_Init(); //OLED 顯示屏初始化

while（1）

{

if（SF6_POLL_CNT ≥ 600）//10 分鐘輪詢(xún)一次SF6 數值并更新一次OLED 屏

{

HAL_UART_Transmit(&huart3,POLL_BUFF ,len,1000);// 發(fā)送輪詢(xún)命令

HAL_Delay(100); // 延時(shí)100 mssensor_read();

}

if(READ_IR==0) // 當感應到附近有人后

{

HAL_Delay(20); // 延時(shí)，防止誤報if(（READ_IR==0)&&（IR_CNT ≥ 60））// 有人隔1 分鐘循環(huán)讀取超聲波SF6 傳感器

{

SF6_POLL_CNT =0;// 輪詢(xún)計數清零sensor_read();

IR_CNT=0；

}

}

if(KEY_CNT ≥ 20)// 當20S 無(wú)按鍵時(shí)，OLED 恢復顯示當前SF6 濃度

{

KEY_CNT=0；

KEY_STA=0;

OLED_ShowNum(0,0, SF6_ADC,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm

}

}

}

3.2 傳感器監測程序設計

/*****************

傳感器讀取數據處理。

*****************/

void sensor_read(void)

{

if(SF6_DATA ≥ SF6_ Threshold)

//SF6 數據在串口接收中斷中完成讀取，當超過(guò)閾值后處理過(guò)程

{

if（SF6_ADC ≥ SF6_ Threshold）

{

OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1); // 顯示單位ppm

HAL_UART_Transmit(&huart1, warn_buff ,2,1000);// 串口1 發(fā)送報警數據

}

else // 當SF6 測量濃度未超過(guò)閾值，則正常更新OLED 屏數據

{

OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm

if (SF6_POLL_CNT ==0) // 當有人播放“正常語(yǔ)音”

{

HAL_UART_Transmit(&huart1, normal_buff ,2,1000);

}

}

SF6_POLL_CNT =0；// 輪詢(xún)計數清零，進(jìn)入下次輪詢(xún)周期

}

3.3 顯示及按鍵程序設計

/*************

OLED 顯示數字

x,y: 起點(diǎn)坐標

num：顯示數字

len：數字位數

size：字體大小

mode：0 ，反色顯示；1，正常顯示

************/

void OLED_ShowNum(u8 x,u8 y,u32 num,u8 len,u8

size,u8 mode)

{

if(ADD_KEY==0) // 當增加閾值按鍵按下

{

HAL_Delay(20); // 延時(shí)消抖

if(ADD_KEY==0)

{

SF6_ Threshold+=10；// 閾值增加10

if(SF6_ Threshold ≥ 2000) SF6_ Threshold=2000；

// 最高值為2000ppm

OLED_Clear();

OLED_ShowChinese(0,0,0,16,1);// 顯示“閾”

OLED_ShowChinese(18,0,1,16,1);/ 顯示“值”

OLED_ShowString(36,0,”：”,16,1);// 顯示“：”

OLED_ShowNum(54,0, SF6_ Threshold,4,16,1)；// 顯示數字

KEY_ON++1; // 按鍵標志位置累加

KEY_CNT=0; // 按鍵計數歸零

}

if(CUT_KEY==0) // 當減少閾值按鍵按下

{

HAL_Delay(20); // 延時(shí)消抖

if(CUT_KEY==0)

{

SF6_ Threshold-=10；// 閾值減少10

if（SF6_ Threshold ≤ 100） SF6_ Threshold=100；

// 最低值為100ppm

OLED_Clear();

OLED_ShowChinese(0,0,0,16,1);// 顯示“閾”

OLED_ShowChinese(18,0,1,16,1);/ 顯示“值”

OLED_ShowString(36,0,”：”,16,1);// 顯示“：”

OLED_ShowNum(54,0, SF6_ Threshold,4,16,1)；//

顯示數字

KEY_ON++; // 按鍵標志位置累加

KEY_CNT=0; // 按鍵計數歸零

}

}

}

4   系統調試

進(jìn)行初期硬件靜態(tài)測試，確認各元器件焊點(diǎn)無(wú)虛焊、漏焊等不良現象，電源網(wǎng)絡(luò )無(wú)短路后，通電進(jìn)行硬件電路功能調試。待硬件電路功能基本實(shí)現后開(kāi)始進(jìn)行軟件燒錄、調試以及系統測試。如圖所示實(shí)物系統測試，測試過(guò)程中，出現按鍵功能混亂問(wèn)題，通過(guò)修正軟件后解決該問(wèn)題。

圖9 實(shí)物圖

5   結語(yǔ)

基于STM32 的SF₆ 濃度智能監測儀設計，明確了設計需求，結合設計需求，對各功能模塊進(jìn)行硬件系統及軟件系統設計，整個(gè)系統耗電量小，體積小、精度高，能滿(mǎn)足電力行業(yè)監測的實(shí)際要求，下一步計劃采用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現多點(diǎn)聯(lián)控，APP 內報警提示。

參考文獻：

[1] 郭利民,趙紅梅,呂運朋,等.SF₆氣體泄漏環(huán)境在線(xiàn)智能檢測系統的設計[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方法[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(4):477-479.

[3] 彭靜.電力系統SF₆氣體泄露監測系統的設計[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[J].電子技術(shù)應用,2016,42(8):101-104.

[5] 李芯怡,孫夢(mèng)茹,郭思薔,等. 基于STM32F103型單片機的新型車(chē)載護童報警裝置設計[J].電子設計工程,2021,5(10):101-104.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）