基于STM32的六氟化硫智能濃度監(jiān)測儀設(shè)計*
*2021年泰州職業(yè)技術(shù)學院院級科研項目資助;項目號:TZYKY-21-17。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202209/438530.htm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氣體無毒,在常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定,實際操作中,泄漏的SF6 被電擊后將產(chǎn)生有毒氣體,這不僅會危及電力安全,對大氣環(huán)境造成極大危害,而且會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 氣體濃度進行實時監(jiān)測,傳統(tǒng)的SF6 氣體濃度檢測方法是采用氣敏傳感器進行檢測,但氣敏傳感器的精度低、壽命短[3],同時傳統(tǒng)檢測硬件系統(tǒng)在成本、功耗以及性能方面均不能滿足當前需求,因此本文提出基于STM32 的SF6 實時監(jiān)測設(shè)備設(shè)計。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
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,當不同濃度的SF6 氣體和空氣混合后,超聲波通過固定距離所需時間與SF6 濃度存在一定關(guān)系,通過所需時間長短反應(yīng)SF6 濃度[4]。
本設(shè)計是一套集STM32 單片機系統(tǒng)、超聲波測量傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、電源模塊、以及顯示模塊設(shè)計成一體的SF6 濃度監(jiān)測系統(tǒng),該設(shè)備可實現(xiàn)SF6濃度測量、溫濕度監(jiān)測以及觸摸屏顯示、超限語音報警等功能。當有人接近電力設(shè)備時,系統(tǒng)及時顯示監(jiān)測濃度值,當濃度超標時進行報警操作。
2 硬件模塊設(shè)計
2.1 芯片及電源模塊設(shè)計
此次設(shè)計選用的是STM32F103C8T6 型單片機,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,時鐘頻率高達72 MHz,該芯片功耗低,外圍IO 口充足,同時具有9 個通信接口[5]。
單片機控制系統(tǒng)外圍接口電路如圖2,該系統(tǒng)外部采用8 M無源晶體振蕩器作為其高速時鐘,采用32.768 kKz 的無源晶體振蕩器作為RTC 時鐘。程序采用SWD 燒寫模式。單片機的電源引腳接3.3 V 并就近放置一個0.1 μF 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,
圖2 控制系統(tǒng)電路
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)計時采用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給單片機供電。具體電路設(shè)計如圖3 所示。
圖3 電源電路
2.2 傳感器采集電路設(shè)計
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。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(wěn)定,容易造成鎖死。此次設(shè)計中SHT30 的引腳并未與單片機的I2C 外設(shè)引腳直接相連接,通過模擬I2C 來讀取溫濕度,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(jiān)測儀具備人體接近語音播報功能,當人體靠近被測環(huán)境時,人體紅外感應(yīng)傳感器HC-SR501 觸發(fā)語音模塊JR6001 對當前監(jiān)測值進行實時播報。人體紅外感應(yīng)傳感器與語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(tǒng),人體紅外感應(yīng)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(yīng)模塊電路
圖7 語音模塊
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)進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。當設(shè)備電源開啟后,系統(tǒng)各功能進行初始化,初始化完成后對系統(tǒng)參數(shù)進行讀取,接下來就是對SF6 傳感器以及溫濕度傳感器數(shù)據(jù)在不超標的情況下進行循環(huán)采集,采集過程中如發(fā)現(xiàn)泄漏超標,將實時通過報警器進行報警。在實時數(shù)據(jù)采集過程中,當有人接近時,語音播報系統(tǒng)將播報當前監(jiān)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; // 定義輪詢計數(shù)和SF6 數(shù)據(jù)初始化
u8 IR_CNT=60; // 定義有人計時
u8 Threshold_STA=0;// 定義閾值更新標志位/* 定時器4 中斷回調(diào)函數(shù)*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim->Instance == TIM4)
{
if(READ_IR==0)
{
SF6_POLL_CNT=0;
IR_CNT++;
}
// 當感應(yīng)到附近有人存在時輪詢計數(shù)歸零,有人計時累加
else
{
SF6_POLL_CNT++;
IR_CNT=0;
} // 附近無人輪詢計數(shù)累加,有人計時歸零if(KEY_ON==1) // 當按鍵寄存器被按下,按鍵計數(shù)累加
{
KEY_CNT++; // 按鍵計數(shù)每秒累加
}
}
}
int main(void)
{
HAL_Init(); //HAL 庫初始化
SystemClock_Config(); // 系統(tǒng)時鐘初始化
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(); // 定時器3 初始化,用于us延時
MX_TIM4_Init(); // 定時器4 初始化,1S 定時,用于輪詢SF6 測量數(shù)值
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);// 開啟定時器4中斷
MX_USART1_UART_Init();// 串口1 初始化,用于播放語音報警
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(nèi)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 分鐘輪詢一次SF6 數(shù)值并更新一次OLED 屏
{
HAL_UART_Transmit(&huart3,POLL_BUFF ,len,1000);// 發(fā)送輪詢命令
HAL_Delay(100); // 延時100 mssensor_read();
}
if(READ_IR==0) // 當感應(yīng)到附近有人后
{
HAL_Delay(20); // 延時,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;// 輪詢計數(shù)清零sensor_read();
IR_CNT=0;
}
}
if(KEY_CNT ≥ 20)// 當20S 無按鍵時,OLED 恢復(fù)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(shù)字
OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm
}
}
}
3.2 傳感器監(jiān)測程序設(shè)計
/*****************
傳感器讀取數(shù)據(jù)處理。
*****************/
void sensor_read(void)
{
if(SF6_DATA ≥ SF6_ Threshold)
//SF6 數(shù)據(jù)在串口接收中斷中完成讀取,當超過閾值后處理過程
{
if(SF6_ADC ≥ SF6_ Threshold)
{
OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1);//OLED屏幕更新數(shù)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(shù)據(jù)
}
else // 當SF6 測量濃度未超過閾值,則正常更新OLED 屏數(shù)據(jù)
{
OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1);//OLED屏幕更新數(shù)字
OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm
if (SF6_POLL_CNT ==0) // 當有人播放“正常語音”
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, normal_buff ,2,1000);
}
}
SF6_POLL_CNT =0;// 輪詢計數(shù)清零,進入下次輪詢周期
}
3.3 顯示及按鍵程序設(shè)計
/*************
OLED 顯示數(shù)字
x,y: 起點坐標
num:顯示數(shù)字
len:數(shù)字位數(shù)
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(shù)字
KEY_ON++1; // 按鍵標志位置累加
KEY_CNT=0; // 按鍵計數(shù)歸零
}
if(CUT_KEY==0) // 當減少閾值按鍵按下
{
HAL_Delay(20); // 延時消抖
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(shù)字
KEY_ON++; // 按鍵標志位置累加
KEY_CNT=0; // 按鍵計數(shù)歸零
}
}
}
4 系統(tǒng)調(diào)試
進行初期硬件靜態(tài)測試,確認各元器件焊點無虛焊、漏焊等不良現(xiàn)象,電源網(wǎng)絡(luò)無短路后,通電進行硬件電路功能調(diào)試。待硬件電路功能基本實現(xiàn)后開始進行軟件燒錄、調(diào)試以及系統(tǒng)測試。如圖所示實物系統(tǒng)測試,測試過程中,出現(xiàn)按鍵功能混亂問題,通過修正軟件后解決該問題。
圖9 實物圖
5 結(jié)語
基于STM32 的SF6 濃度智能監(jiān)測儀設(shè)計,明確了設(shè)計需求,結(jié)合設(shè)計需求,對各功能模塊進行硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)設(shè)計,整個系統(tǒng)耗電量小,體積小、精度高,能滿足電力行業(yè)監(jiān)測的實際要求,下一步計劃采用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多點聯(lián)控,APP 內(nèi)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)境在線智能檢測系統(tǒng)的設(shè)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)測系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)用,2016,42(8):101-104.
[5] 李芯怡,孫夢茹,郭思薔,等. 基于STM32F103型單片機的新型車載護童報警裝置設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2021,5(10):101-104.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)
評論