基于GSM的陰極保護電壓表設計

徐濤，田鵬，廖俊必

（四川大學制造科學與工程學院，四川成都610065）

基于GSM的陰極保護電壓表設計

徐濤，田鵬，廖俊必

（四川大學制造科學與工程學院，四川成都610065）

陰極保護是常用的管道防腐技術，陰極保護電壓是該技術的核心參數(shù)。本文提出了基于GSM模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣踊帢O電壓表設計方案。其中以STC15W4K32S4芯片作為MCU，實現(xiàn)電壓測量、電路控制；電源采用磷酸鐵鋰電池，直接供電MCU，LT1370IR升壓至5 V供電給GSM模塊，太陽能板補充電池電能。無需測量時，電路進入掉電模式，極大程度省電，可廣泛應用到沙漠、戈壁、叢林等人際罕至的油氣管道線上。

陰極保護；GSM模塊；太陽能供電；掉電模式

陰極保護是常用的管道防腐技術［1］，陰極保護電壓是該技術的核心參數(shù)。當前有多種測量陰極保護的電壓表，但應用到沙漠、戈壁、叢林等荒無人煙的極為稀少。由于環(huán)境惡劣、長期無人維護以及油氣管道的防爆要求高，陰極保護電壓表的可靠性、節(jié)能性、安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。

對于陰極保護電壓表，僅由電池、升壓電路、GSM模塊、MCU構成。電池采用磷酸鐵鋰［2］，其安全性、可靠性高，自放電率低，能夠滿足使用環(huán)境要求。升壓電路與GSM模塊共地，場效應管控制開閉。MCU采用STC15W4K32S4，由鐵鋰電池直接供電，集成晶振、內部時鐘、AD并且有掉電專用定時器喚醒單片機，節(jié)省大量外圍電路，節(jié)能的同時可靠性高。

1　系統(tǒng)結構

陰極保護電壓表要應用到沙漠、戈壁、叢林等人際罕至區(qū)域的油氣管道上。這些地方很少有人去，安裝要安全可靠，且具備一定的防災害能力。

圖1所示為陰極保護電壓表的結構簡圖［3］，為延緩管道腐蝕的速度，在管道附近安置一個電源，電源負極接到管道上，電源正極接到鐵塊上，全部均埋于地下。如此管道電壓始終較低，可以起到一定的防腐蝕作用。參考電極鐵塊放置于管道另一側，為測量點負極，測量點正極即為管道。

陰極保護電壓表裝在一根直徑約100 mm的小型管道里面，該管道與油氣輸送管道焊牢，測量管高出地面1 m左右。5 V太陽能板起補充電能作用，直徑100 mm，最大功率1.08 W，峰值電流160 mA。

供電電源必須通過防爆認證，且要具備低的自放電率以及適應惡劣環(huán)境要求。磷酸鐵鋰電池其性能可靠，另一方面在5 V的太陽能板輸入下能夠補充電能，因而此處選擇該電池。

圖1　陰極保護結構示意圖

2　硬件設計

2.1功耗估算

按照1年以內，在沒有太陽能補充電能的情況下，電壓表依舊能夠正常工作的能耗需求進行設計。

電能消耗在此處用電池的容量的表示方式來計算，即電流與時間的乘積，單位為AH，其公式如1所示。

在電路中，消耗電池電能的主要有MCU、GSM模塊、Boost升壓電路、加法電路模塊，總的能耗如公式（2）所示。

由于MCU是電池直接供電，所以MCU得功耗有待機或掉電消耗與測量消耗兩部分構成，如公式（3）所示。

公式中PMCU是MCU的功耗，ID、TD是待機或掉電電流與時間，IC、TC是工作電流與時間。單片機在待機狀態(tài)時的電流值，按照數(shù)據(jù)手冊為7 mA，若進入掉電模式，則電流低于3 μA，在功耗估算時可忽略不計，在測量電壓值時，冗余估算20 mA，持續(xù)時間50 s，其中啟動GSM模塊、加法電路模塊等電路15 s，測量電壓值和通信10 s，等待短信發(fā)送25 s。

PY表示1年的功耗，待機模式的功耗為：

很明顯若單片機處于待機模式，則要選擇大容量的磷酸鐵鋰電池，但受限于管徑以及成本，顯然是不可取的。由此單片機工作時應采用掉電喚醒模式，電流為微安級別，可忽略不計。

GSM模塊在電能消耗中占絕大部分，按照數(shù)據(jù)手冊，工作時的最低電流25 mA，最大電流180 mA，且在啟動瞬間需要1.5 A的大電流。此處冗余估算200 mA，持續(xù)時間為50 s。

Boost升壓電路，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊，工作電流為4.5mA，冗余估計5 mA。加法電路采用LM324，在5 V工作時，手冊為1.2 mA，冗余估計2 mA。持續(xù)時間均以50 s計算。

所有功耗每天測一次，測一年的消耗為：

選用的磷酸鐵鋰電池，自放電率20±5℃下每個月＜5%；55±2℃下每月＜20%。電池安放在管道內部，而管道與油氣管道相連，防雨防潮，并不會長期處于非常高的溫度中。此處的計算按照平均5%的自放電率計算，12個月為60%，可用容量為40%，所以選擇10AH容量的電池能夠滿足設計需求。當然也可以適當增加成本選擇15A.H的更為保險，受限于管徑，更大的電池容量，體積太大很難裝入管道中。

2.2能耗控制

根據(jù)功耗估算，除了MCU，在電壓表等待測量期間，所有其他器件均不會耗電，要做到這一點，則其他器件與電源之間處于斷路狀態(tài)。開關控制采用N溝道MOFET場效應管，所有其他模塊正極端均與蓄電池相連，負極端接到場效應管的漏極，其源極連蓄電池負極，MCU控制柵極實現(xiàn)開合。場效應管為電壓控制型元件，MCU在進入掉電模式之后，其I/O會保持不變，電平信號即可維持其關閉狀態(tài)。

光伏板的電壓平臺是5 V，鐵鋰平臺為3.2 V，壓差為1.8 V，此外由于我國大部分處于北回歸線以北，光伏板的實際輸出小于100 mA，而穩(wěn)壓管或者三端集成穩(wěn)壓芯片自耗電較大，不適用于此處。為從硬件上保護鐵鋰電池過充同時防止電池電能反向，在光伏板與電池之間加入兩個普通二極管將電壓降到3.8 V左右，不再單獨控制。

2.3加法電路

由于采用了陰極保護措施，理論上來講，管道與參考電極之間測出的電壓為負，但土壤物質的改變，譬如雨水侵蝕，其電壓值可能為正。而在管道現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)也表明，電壓值可能是正也可能是負，電壓區(qū)間為_1 V至+1 V。

在單電源供電的情況下，要測量正負電壓值，則最為簡化的方式就是采用加法電路［4］。

圖2　典型的加法電路

公式（4）中VFB為穩(wěn)壓芯片輸出的參考電壓，VC為陰極保護電壓，R1=R2=R3=R4選取1 M的阻值，主要需要電壓信號，減少電流消耗。另外R1=2Rf，反饋電阻用兩個阻值1 MΩ的電阻并聯(lián)。如此設計其輸出電壓為兩者輸入電壓和的二分之一。

公式（5）為設計的加法電路輸出，鐵鋰電池的最低工作電壓為2.7 V，測量區(qū)間冗余設計為±1.5 V，區(qū)間長度為3 V，比鐵鋰電池的電壓區(qū)間要長，所以輸出要降一半的電壓值。

另外MCU自帶的AD以供電電源為參考，電源電壓不穩(wěn)，需要利用穩(wěn)壓芯片進行電壓矯正，因此VFB也是MCU的AD矯正值。

2.4升壓電路

GSM模塊的工作電壓為DC4.5～5.2 V，鐵鋰電池的電壓平臺不足以驅動其工作，需要進行升壓處理，升壓采用典型的Boost電路［5］。此處也可以串聯(lián)兩節(jié)鐵鋰電池，然后用三端集成穩(wěn)壓芯片降壓，這種供電方式電壓為6.4 V，小型太陽能板無法進行電能補充，因而未采用。

如圖3所示為LT1370IR芯片的Boost電路圖，最低輸入2.7 V，輸出電流可以達到3 A左右，能夠滿足GSM模塊啟動瞬間1.5 A的電流要求。

按照數(shù)據(jù)手冊設計，理論值是5 V，但做電路時，電阻鏈的精度是不可預估的，所以R1用多圈電阻替代，可以手動調節(jié)電阻值使輸出電壓達到所需電壓值。輸入輸出電容都適當增大，使電壓更加穩(wěn)定。

圖3　Boost電路

3　軟件實現(xiàn)

軟件設計的核心是掉電模式，STC15W4K32S4這款單片機內部集成掉電定時器，定時器晶振為32 768 Hz，也就是常用的時間晶振。該掉電定時器最長定時時長為15 s。單片機進入掉電模式之后，所有I/O的狀態(tài)將會保持不變，且晶振停振，內存中的變量將會丟失，也即清零，因此用變量來對掉電定時器計滿24小時是不可實現(xiàn)的。

此外，為了防止程序跑偏，需要引入看門狗電路［6］，該MCU也集成了該功能，只要定時訪問看門狗寄存器即可。當然測量陰極保護電壓值、控制GSM的短信發(fā)送也是軟件設計必須的，而且每通道電壓值測100次平均確定穩(wěn)定。

程序中利用看門狗模塊和掉電定時器模塊的特性進行組合實現(xiàn)24小時定時測量。具體的程序流程如圖4所示。

圖4為程序流程圖，在進入掉電模式之后，晶振停振，其看門狗也不會計數(shù)。在掉電定時器喚醒MCU之后，需要延遲一定的時間等待晶振穩(wěn)定，程序設計時延遲1 ms左右。

圖4　程序流程圖

根據(jù)公式（7）計算最長可以定時的時間為40.45小時，定時24小時，只需要設置好看門狗的溢出時間和掉電定時器的溢出時間即可。

4　實物圖

如圖5為可以正常工作的陰極保護電壓表實物圖，測量板和電池放在內部，太陽能板只有中間長方形區(qū)域有效，兩側用螺釘固定在金屬蓋上面。在實際安裝時，金屬蓋上面還要粘貼一層有機玻璃防雨，保護太陽能板。

圖5　陰極保護電壓實物圖

5　實際功耗

在輸入電源之間串接高精度數(shù)字萬用表測量該陰極保護電壓表整個工作過程的電流變化，并攝錄電流變化視頻。根據(jù)視頻記錄，按照每秒一個電流數(shù)據(jù)的形式記錄在Exce1中并畫出電流變化曲線圖，以及計算實際測量的整個過程的功耗。

圖6　測量工作電流變化曲線

從圖中可以看到，MCU在啟動的時候，會有一個較大的電流脈沖產生，然后電流值趨于穩(wěn)定。場效應管導通之后，所有模塊開始工作，GSM開始聯(lián)網，搜尋網絡、注冊SIM卡的電流值較大且不穩(wěn)定。

模塊均進入正常工作之后，整個電路的電流值穩(wěn)定在65 mA左右，而出現(xiàn)第二次電流高峰，則是GSM模塊再次聯(lián)網，發(fā)送載有測量數(shù)據(jù)的短信所致。之后電流值又回落到65 mA左右，MCU進入掉電模式之后，電流瞬間回落，變?yōu)?。當然并不是真的沒有電流，只是電流為微安級別，當前的萬能表測不出來，并且電流值也是先掉電到1 mA，再變?yōu)?。

計算中，4 821.5是對記錄的所有電流數(shù)據(jù)的和，相對應的單位為mA，轉化成安培要除以1 000；而對應的時間T為秒，即每個數(shù)據(jù)的間隔為1 s，所以要除以3 600轉化成小時。

很明顯采用掉電模式，整個電路的實際電能消耗非常低，當前的電池容量在沒有太陽能補充下也能正常工作至少1年。若有太陽能補充，且電子電路不出現(xiàn)故障，可以有效工作3年以上。

6　結論

本文設計的陰極保護電壓表，為適應惡劣環(huán)境以及低功耗要求，構成非常簡單。GSM模塊用于無線數(shù)據(jù)傳輸；Boost升壓模塊用于給GSM模塊供電；LM324構建加法電路，使測量的所有電壓值均為正，單電源供電即可測得負電壓值；MCU自帶的AD模塊實現(xiàn)模數(shù)轉換，利用場效應管控制其他模塊的負極端，實現(xiàn)節(jié)能。

看門狗模塊防止程序跑飛，掉電模式低能耗，掉電定時器及時喚醒MCU。將看門狗的時間與掉電定時器的時間聯(lián)合起來實現(xiàn)定時測量，既實現(xiàn)了MCU的掉電節(jié)能，也實現(xiàn)了防程序跑偏，更達到了定時測量的目的，是一次全新的嘗試。

當然定時測量有一定的限制性，掉電定時器的晶振誤差為5%較大，不能精確定時。如果對時間精度較高則該電壓表的適應性就不強。

［1］胡士信.管道陰極保護技術現(xiàn)狀與展望［J］.腐蝕與防護，2004，25（3）：93_101.

［2］劉洪權，鄭田田，郭倩穎，等.鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰研究進展［J］.稀有金屬材料與工程，2012，9（4）：176_180.

［3］黃騰飛.埋地管道陰極保護電位參數(shù)及電位測試技術研究［D］.成都：西南石油學院，2004.

［4］張國雄.測控電路［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［5］賀冬梅，蔡麗娟，陳靈敏.幾種Boost電路的功率損耗分析與實驗研究［J］.電力電子技術，2005，39（6）：70_71.

［6］胡屏，柏軍.單片機應用系統(tǒng)中的看門狗技術［J］.吉林大學學報：信息科學版，2003，21（2）：205_208.

Deslgn of cathodlc Protectlon Voltmeter based on GSM

XU Tao，TIAN Peng，LIAO Jun_bi
（College of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Cathodic protection is the most common1y used method in pipe1ine corrosion protection techno1ogyj cathodic protection vo1tage is the key parameter of the techno1ogy to the cathodic protection vo1tmeter，GSM modu1e is used for data transmissionj STC15W4K32S4 chip is used for vo1tage measurement，circuit contro1 as MCUj 1ithium iron phosphate battery is the power，supp1y for MCU direct1y，and a1so for GSM modu1e after the vo1tage up to 5V through LT1370IR，so1ar pane1s supp1y the battery.Without measure，circuit wi11 be into power down mode，great1y saving the power，so it cou1d be wide1y app1ied to the desert，Gobi，jung1e.etc interpersona1 rare in oi1 and gas pipe1ine 1ine.

cathodic protectionj GSM modu1ej so1ar energyj power down mode

TN98

A

1674_6236（2016）10_0127_04

2015_07_28稿件編號：201507183

國家自然科學基金（61271329）；四川省科技支撐計劃資助項目（2012GZ0094）

徐濤（1991—），男，山西古交人，碩士研究生。研究方向：自動化測量與系統(tǒng)設計。