基于STM 32的SF6氣體泄漏監控報警系統?

李 倩傅 強徐 林

（1.河海大學機電學院 常州 213022）（2.常州集賢科技有限公司 常州 213022）

1 引言

SF6氣體以其優異的絕緣和滅弧性能，在電力系統中得到廣泛應用，SF6氣體幾乎成為高壓、超高壓斷路器和GIS中唯一的絕緣和滅弧介質［1～2］。但電力系統中，由于電弧及局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會進行分解，而其分解產物遇到水份后會產生一些劇毒物質，這些物質即便是微量也能致人非命［3～4］。當使用以氣體為絕緣和滅弧介質的SF6室內開關在使用過程中發生泄漏時，泄漏出來的SF6氣體及其分解產物會在室內低層空間積聚，且不易散發，易造成低層空間缺氧，對進入室內的檢修及巡視人員的安全構成嚴重威脅［5］，有關部門已制訂了一系列相應的行業安全法規，法規中明確規定了人員在進入SF6配電裝置室時必須先通風15分鐘，對空氣中的SF6濃度及氧氣含量進行監測，在SF6配電裝置的低位區應安裝能報警的氧量儀和SF6氣體泄漏報警儀。

針對這一問題，本文設計一種基于STM32的SF6氣體泄漏監控報警系統，采用多通路采集，多區域集中監控空氣中SF6氣體含量和氧氣含量，當環境中SF6氣體含量超標或缺氧時，能進行實時報警，同時自動開啟風機進行通風，還能與上位機進行通信，進行數據存儲和傳輸。

2 系統總體設計概述

本系統結構圖如圖1所示，主要由傳感器模塊、電源模塊、主控制模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、無線通訊模塊等組成。

圖1 系統結構框圖

氣體傳感器把采集到的氣體濃度信號轉換成微弱的電壓信號，經過信號調理，將放大后的電壓信號送入STM32F103微處理器內的ADC的輸入端，將模擬信號轉換成數字信號，MCU將數字信號進行處理后，將得到的氣體濃度信息輸送給LCD液晶顯示屏，對SF6泄漏量和氧氣濃度實時顯示，并將數據進行存儲，若檢測到的氣體濃度參數超過用戶的設定值，MCU就會通過聲光報警電路進行聲光報警，同時開啟風機。MCU可以控制遠端氣體采集通路的切換，多路環境氣體的循環吸入，多區域探測，實現集中檢測與控制。上位機可以通過232總線與系統之間進行通訊，并顯示實時測量數據/信息，對風機進行控制及進行記錄保存。

3 系統硬件設計

3.1 主控制電路

本系統以STM32F103VCT6作為核心處理芯片，STM32F103VCT6單片機是ST公司基于Cortex-M3內核的32位微控制器［6］，是一款低功耗、低成本、高性價比的處理器，時鐘頻率72MHz，內置高速存儲器，包括64K片內SRAM和512K片內FALSH，該芯片還具有豐富的內部資源，擁有51個可用的IO口，包含3個12位AD轉換通道，4個16位普通定時器和2個高級定時器，3個USART串口，還有SPI、I2C、USB、CAN等接口，方便外部擴展，能夠極大地簡化系統的硬件設計［7～8］，而且其自帶的固件庫，避免了繁瑣的寄存器操作，能夠方便編程人員對軟件進行開發，避免出錯，能夠大大提高編程效率，廣泛應用于工業控制領域，因此選用此款芯片作為主控制器，其最小硬件系統如圖2所示。

圖2 最小硬件系統

3.2 傳感器及信號調理電路

在本系統中，SF6氣體泄漏檢測運用的是紅外光譜吸收技術。實驗證明，當特定波段的紅外光通過SF6氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收［9］，其吸收關系服從朗伯—比爾吸收定律，即吸收與SF6氣體濃度呈現自然指數關系［10～11］。與其他檢測技術相比，運用紅外光譜吸收技術檢測SF6氣體，檢測精度高，穩定可靠，且不受環境溫濕度等條件限制，選用德國smartGAS公司的SF6傳感器，傳感器分辨率為0.1ppm，精度可達1ppm，因為SF6傳感器輸出TTL電平，因此可以直接通過STM32的USART端口與SF6傳感器輸出端口相連，進行通信。

氧氣含量的檢測采用電化學傳感器，電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作［12～13］，具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命，選擇美國進口的MAX250B氧氣傳感器，測量范圍為0～100%VOL，分辨率為±0.1%，響應時間：＜15s，精度：±1%，輸出的電壓為10mV～16mV，輸出的電壓信號過小，因此需要經過電壓信號調理，選用高精度單電源供電、軌對軌運算放大芯片AD623AR，將放大后的輸出信號送至STM32F103的AD轉換模塊，實現氣體傳感器的信號采集，氧氣信號采集電路如圖3所示。

圖3 氧氣信號采集電路

3.3 電源電路

STM32F103單片機工作電壓為3.3V，風機和繼電器工作電壓為12V，傳感器電路工作電壓為5V，因此需要設計合理的電源電路給本系統供電。選用具有短路過載過壓保護功能的NES-75-12型號開關電源，將220V的交流電轉換成12V的直流電，并使用LM117系列的三端可調輸出的線性穩壓器，將12V的電壓依次調節到5V和3.3V供MCU和其他外圍電路使用，其電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3.4 顯示及通信電路

考慮到完整的信息顯示和友好的人機界面，使用迪文科技有限公司型號為DMT80480T070_15WT的液晶屏，分辨率為800×400、65K色，該屏具有觸摸功能，在硬件設計時不需要添加按鍵電路，只需要編寫液晶按鍵程序就可實現按鍵功能，實現參數設定、數據存儲等功能。

STM32F103主控制芯片內部有USART通道，具備與其他外部設備通信的功能，但由于STM32F103的輸入輸出電平都是TTL電平，而上位機使用的是RS232標準串行接口，為實現通信，必須加入串口通信模塊，進行電平轉換，在本系統中使用SP3232E芯片實現串口通信功能，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 通信電路

3.5 報警電路

為了增強報警效果，SF6氣體泄漏檢測報警系統采用聲光同時報警的方式。聲音報警采用電磁式有源蜂鳴器，型號為HTY—1205，該蜂鳴器體積小、分貝高，通過控制STM32F103的PWM輸出信號驅動蜂鳴器使其發聲；發光報警采用發光二極管，通過控制STM32F103的輸出信號使發光二極管閃爍。

當檢測到SF6氣體濃度超標或者氧氣濃度不足時，進行聲光報警，同時開啟風機，采用UL2003A驅動芯片來驅動風機，此芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適用于各類功率要求的驅動系統。單片機通過輸出脈寬調制信號控制電機啟停。

4 系統軟件設計

系統軟件程序利用STM32固件庫函數，在keil MDK環境下，使用C語言進行編寫，采用模塊化設計，使程序易于移植和維護［14～15］。系統程序主要包括系統初始化、信號采集處理、聲光報警、數據顯示與存儲，其主流程圖如圖6所示。

圖6 系統主流程圖

5 系統功能與測試

為了對泄漏檢測報警系統的測量精度進行標定，利用SF6氣體和氧氣標準氣體來測試傳感器的檢測精度和穩定性，將標準值和檢測值進行多次比對，氧氣檢測范圍為15%～25%，SF6氣體檢測范圍為0～1500ppm，檢測試驗結果如表1所示。

表1 O2和SF6實驗測試數據

由表1可知，在不同濃度的氣體下，O2誤差≤0.6%，SF6誤差≤16ppm，說明該SF6氣體泄漏檢測報警系統滿足設計要求。

6 結語

基于STM32的SF6氣體泄漏檢測報警系統通過多通道氣體采集，選用高性能的STM32微處理器和高精度的氣體傳感器，能同時對多組數據進行顯示、存儲，并能通過總線與上位機通信，進行數據傳輸。經過測試結果表明，本系統完全達到主要性能指標，能夠實時監測SF6氣體含量和氧氣濃度，當SF6氣體濃度超標或缺氧進行聲光報警并啟動風機，測量精度高、響應速度快、報警性能好，而且人機界面好、操作簡單、實用性強，本系統完全符合國家或電力行業關于《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》，可廣泛應用于各種電壓等級的SF6開關室、組合電器室（GIS室）、SF6主變室等場所。