軌道交通低壓供電系統設備溫濕度監測控制系統的設計

摘要：本文論述了軌道交通低壓供電系統設備溫濕度監測控制系統的設計，包括整體方案、硬件方案和軟件方案的設計。該控制系統能實現對軌道交通低壓供電系統設備的遠程實時監測，解決傳統對低壓供電系統設備進行人工巡檢測試費時費力的問題。本系統以STC單片機為核心，利用DTH11溫濕度傳感器、ESP8266 WIFI模塊、LCD1602液晶顯示屏等元件。整個系統充分利用了STC單片機的內部資源，最大程度地簡化了硬件電路，使系統具有較高的性價比和可靠性。

關鍵詞：低壓設備;溫濕度檢測;控制系統

中圖分類號：TP274 ? 文獻標識碼：A ?文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

0 引言

目前，地鐵車站和區間的低壓供電系統設備均采用交流380/220V電源供電，電源取自降壓變電所及跟隨式降壓變電所。低壓供電系統設備的正常運行決定了地鐵的安全性、可靠性和舒適度。因此，為之提供電源的低壓供電系統設備是南京地鐵能否正常運營的基礎。

地鐵車站一般分為站廳、站臺、公共區、設備區，主要低壓供電系統設備（包括低壓開關柜、應急照明電源裝置、低壓配電箱）多數集中在設備區內。目前在建和開通的地鐵項目中暴露出低壓供電系統設備部分較為嚴重的安全隱患[1]。

濕度過大會引發低壓供電系統設備故障，溫度過高會加速低壓供電系統設備絕緣的破壞和老化，從而造成極為嚴重的安全隱患，嚴重影響南京地鐵運營服務質量。因此，提前預防與消除安全隱患，對保證南京地鐵安全、穩定、可靠運營有重要的實際意義。

但目前地鐵對低壓供電系統設備排除故障主要以人工手持檢測儀進行巡檢，存在工作量大，不能及時排查故障等缺點。因此，傳統的人工巡檢測試的方法已經不太適合低壓供電系統設備排除故障工作。

針對上述情況，本文設計了一套軌道交通低壓供電系統設備溫濕度監測控制方案，不用人工干預或是盡量少用人工干預下完成以往可能需要消耗大量人力效率極低可靠性又不夠高的工作[2]。

1 系統總體設計

本著操作簡便、安全可靠、效率高的目標，軌道交通低壓供電系統設備溫濕度監測控制系統應達到以下要求：DTH11溫濕度采集電路將溫濕度模擬信號轉換成數字信號，送入單片機STC89C51進行處理。LCD1602顯示電路用于顯示下位機處理好的溫濕度。當設備溫濕度超過設定的報警闕值時，啟動蜂鳴器報警。ESP8266 WIFI模塊實現將下位機向上位機的數據傳輸[3]。

軌道交通低壓供電系統設備溫濕度監測控制系統組成框圖如圖1所示。該系統主要由STC89C51單片機、最小系統電路、下載電路、按鍵電路、溫濕度傳感器電路、LCD1602顯示電路、報警指示電路、ESP8266 WIFI模塊組成[4]。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器的設計

主控制器采用宏晶科技公司推出的新一代STC89C51單片機，指令代碼完全兼容傳統的51系列單片機，具有高速，低功耗，抗干擾超強的功能。STC89C51單片機有如下特點：工作電壓分為兩種：5V（3.3V-5.5V），3V（2.0V-3.8V）;工作頻率：0～40MHz，實際工作頻率可達到48MHz; 用戶應用程序空間8K;512字節RAM;通用I/O口（32個），P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉;具有看門狗功能;有T0、T1、T2共3個16位定時器/計數器;工作溫度：-40～+85℃（工業級）或0～75℃（商業級）。STC89C51引腳接線圖如圖2所示。

2.2 最小系統電路的設計

單片機最小系統電路包括時鐘電路、復位電路以及電源電路。時鐘電路為單片機工作提供基本時鐘，復位電路用于將單片機內部各電路的狀態恢復到初始值。電源電路為單片機提供工作電源[5]。

2.2.1時鐘電路

單片機是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號下嚴格地按照時序進行工作。時鐘電路用于產生單片機工作所需要地時鐘信號。時鐘電路采用2個30pF的電容和一個12MHz的晶振組成，如圖3所示。

2.2.2復位電路

復位電路有一個非鎖存按鈕和一個電解電容，當按下按鈕時，該電容向單片機的RST發送一個高電平，沒有按下時RST端輸入的是低電平。復位電路如圖4所示。

2.2.3電源電路

電源電路由三節干電池和單極/雙擲開關組成，為單片機提供4.5V的直流電。電源電路如圖5所示。

2.3 下載電路的設計

下載器接口接到單片機的TXD和RXD接口，實現電腦和單片機的通信，并將程序燒寫至單片機中。下載電路如圖6所示。

2.4 按鍵電路的設計

用四個按鍵來調節按鍵電路，其中按鍵一是用來更改模式，模式一為溫度上限的修改，模式二為溫度下限的修改，模式三為濕度上限的修改，模式四為濕度下限的修改。按鍵二是在修改模式是下的累加鍵，修改精度為小數點后面兩位。按鍵三是在修改模式下的遞減鍵，修改精度精確到小數點后兩位。按鍵四是確認鍵，在修改完成后按下確認鍵，則保存修改后的數值。按鍵一按第五下返回實時顯示溫濕度的畫面。按鍵電路如圖7所示[6]。

2.5溫濕度采集電路的設計

溫濕度采集電路采用數字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。溫濕度傳感器DHT11在使用時，必須在電源和連接串口之間接上一個上拉電阻，如圖3所示，1引腳接電源，2引腳接單片機P3.7串行口，3引腳必須空懸，4引腳用來接地。溫濕度采集電路如圖8所示[7]。

2.6 LCD1602顯示電路的設計

LCD1602顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏用來進行顯示。單片機將溫濕度傳感器采集的數據進行處理后，由LCD1602進行顯示溫濕度信息。LCD1602顯示電路如圖9所示。

LCD1602顯示屏采用標準的16引腳接口。本設計采用單片機的P0.0～P0.7引腳接LCD1602的7～14引腳，用以LCD1602液晶顯示屏的字幕顯示;單片機的P2.6引腳來連接LCD1602的4引腳，用P2.5引腳來連接LCD1602的5引腳，用P2.7引腳來連接LCD1602的6引腳，用以向LCD1602液晶顯示屏寫入指令命令;LCD1602的1引腳接電源VCC，2引腳用來接地，3引腳接滑動變阻器來改變調節電壓，15，16引腳可以用來調節顯示屏的背光亮度[8]。

2.7報警指示電路的設計

用四個發光二極管來做報警指示燈，分別是溫度上限報警指示燈、溫度下限報警指示燈、濕度上限報警指示燈、濕度下限報警指示燈。采用的接線方法是共陰極接線，只有當輸入的電壓為高電平的時候發光二極管才會亮，否則發光二極管就會滅。蜂鳴器用于在發生警報時發出警報聲。報警指示電路如圖10所示[9]。

2.8 ESP8266 WIFI模塊電路的設計

ESP8266 WIFI模塊電路以ESP8266繼電器、WIFI模塊為核心，USB轉TTL模塊為橋梁，從而實現將單片機處理后的溫濕度信息傳輸給個人移動終端，實現數據遠程無線監測的目的。ESP8266 WIFI模塊電路如圖11所示。

3 系統軟件設計

在程序運行過程之中必須先進行初始化操作，包括溫濕度測量子程序、按鍵子程序、LCD1602顯示子程序、無線傳輸子程序、報警子程序以及各個控制端口的初始化操作。

在初始化過后進行溫濕度的檢測，并判斷實時溫濕度是否超出設定值得上下限。若實時溫濕度超出（低于）設定值得上下限，則調用報警子程序。檢測值在LCD1602上顯示，并利用無線傳輸模塊發送至個人移動終端進行顯示。主程序流程圖如圖所示12所示[10]。

4 結語

本系統以STC單片機為核心，利用DTH11溫濕度傳感器、ESP8266 WIFI模塊、LCD1602液晶顯示屏等元件。該系統能實現對軌道交通低壓供電系統設備的遠程實時監測，解決傳統對低壓供電系統設備進行人工巡檢測試費時費力的問題[11]。整個系統充分利用了STC單片機的內部資源，最大程度地簡化了硬件電路，使系統具有較高的性價比和可靠性。

參考文獻

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收稿日期：2020-05-08

課題：南京交通職業技術學院科研項目，編號：JZ1804。

作者簡介：潘彩霞（1982—），女，江蘇江陰人，碩士，講師，研究方向：軌道交通機電一體化。