基于STM32的12kV電力開關柜模型結構與控制設計

唐子峻，陳俊江

（閩江學院 計算機與控制工程學院，福建 福州 350108）

12kV電力設備被大范圍地應用于發電廠、設備制造及輕工等各個行業中，其穩定且安全的系統運行和工作狀態本身就是現代用電設備的重要技術保障。隨著使用年限的增加和材料老化情況的不斷惡化，其存在的電氣風險問題。

電力開關柜所可能存在的突發性電氣事故風險主要可以認為有兩個基本方面：其一，主要是對于電力開關柜本身的結構造成風險，比如：開關柜排線的絕緣老化、短路、過電壓等；其二，主要是對于電力設備和工作人員的造成風險。因此對這些電力開關柜內部環境進行實時的監測和遠程監測也是必不可少的。

本文采用傳感器技術完成對電力開關柜的數據收集，采用通訊技術完成對電力開關柜的數據傳輸和監測工作。以上這些技術的采用，很好地解決電力開關柜的遠程監測和監測，即使工作人員不在現場，也能準確的得知電力開關柜的運行情況，實現自我調節，防患于未然[1]。

1 系統模塊設計

1.1 系統的組成框圖

開關柜的實時監測系統的結構（圖1）可以大致劃分為主要的5個模塊：處理模塊、傳感器模塊、繼電器模塊、顯示模塊以及通信模塊。

1.2 實時時鐘介紹

1.2.1 實時時鐘寄存器RTC

圖1 電力開關柜實時傳感器監測系統的總體結構和框架圖

圖2 RTC 框圖

設計利用STM32單片機的實時時鐘RTC定時器，實現時鐘日歷功能。該時鐘寄存器應用連續技術，通過修改計數器的值，重新設置系統初始化時間。RTC模塊和時鐘配置系統（RCC_BDCR寄存器）是在后備區域，即在系統復位或從待機模式喚醒后RTC的設置和時間維持不變[10]。

RTC的簡化框圖，如圖2所示。RTC由三個主要部分構成：APB1接口和APB1總線、RTC預分頻模塊以及一個32位可編程計數器，可通過APB1總線對寄存器進行讀寫操作[11]。若設置RTC預分頻模塊的相應允許位，則RTC可在每個TR_CLK周期中產生一個秒中斷。32位可編程計數器可以設置成初始化時間，按秒鐘計算，可以記錄4294967296 s，約為136年。

1.2.2 實時時鐘程序

在RTC_Set（）函數中設置初始化日期與時間。系統啟動后，初始化RTC時鐘即RTC_Init（）函數，配置相關函數，使能秒中斷，監測時鐘是否工作正常，在相應的后備寄存器中寫入相關程序數據。初始化RTC時鐘后，開始設置時鐘，以1970年1月1日為基準，把之前設置的初始化的日期與時間轉換為秒鐘。利用RTC_Get（）函數進行數據處理，分別獲取年、月、日、星期、時、分、秒，最后將數據傳送至LCD液晶屏，利用LCD液晶屏顯示。程序系統框圖見圖3。

圖3 實時時鐘系統框圖

1.3 溫濕度及電流電壓監測模塊

1.3.1 溫濕度監測模塊

首先是單片機判斷該設備是否存在，單片機會發送一個信號，拉低數據線電位保持18 ms左右，然后再拉高數據線電位保持20 μs左右，然后繼續拉低數據線電位保持40 μs左右，最后返回一個響應信號給單片機（圖4）。

確認硬件設備正常后開始進行設備的數據傳輸（圖5），傳輸的數據可以作為一個數據包，數據包里面包含40個位的溫濕度信號，濕度的整數小數各8（bit）、溫度的整數小數各8（bit）以及8（bit）的數據校驗位[11]。

1.3.2 電流電壓監測模塊

圖4 溫濕度傳感器程序流程圖

圖5 溫濕度監測數據發送信號流程圖

電壓傳感器和電流傳感器均采用單線杜邦線連接單片機引腳接口，單片機通過引腳將引腳的模擬量轉化為引腳的數字量進行計算得出ADC的數值（圖6）。

圖6 ADC模數轉換流程圖

單片機端口電壓：ADC值×(3.3/4096)

由于電壓傳感器監測的電壓值是實際測量電壓值的五分之一，所以實際電壓值為端口測量電壓值的5倍。

電壓傳感器的電壓值計算公式：

ADC值×(3.3/4096)×5 V

電流傳感器的電壓值計算公式：

當電流傳感器沒有監測到電流通過時，電壓值為設備供電電壓的1/2，分辨率為185 mA/V。

即：[ADC值×(3.3/4096)-VCC/2]/0.185 A

1.3.3 實時性和滯后性分析

實時性：溫濕度實時監測從而控制散熱器、除濕器工作，防止開關柜器件長期處于高溫潮濕環境下工作。電流電壓實時監測從而得知內部線路是否正常連接，為線路漏電做預防。

滯后性：當開關柜長期處于高溫、潮濕環境，會加速器件的老化，從而引發事故的發生。當開關柜發生漏電情況未能及時地發現，會引發電氣爆炸等安全事故問題。

1.4 LCD顯示模塊

LCD液晶顯示器的軟件設計方面主要包含了初始化LCD顯示器、設置X、Y坐標、清除存儲空間內的LCD數據以及將寫入數據到LCD顯示器的存儲空間這4個主要步驟的操作過程（圖7）。

圖7 顯示屏模塊流程圖

1.5 除濕模塊

除濕模塊利用5 V的繼電器作為開關，除濕器負端接繼電器常開觸頭，繼電器信號口接STM32單片機信號I/O口（PA3），進而實現控制除濕器啟動關斷的目的，5 mm的除濕器由變壓器220 V轉12 V的開關電源提供電。

當濕度大于等于80%時，將SMT32單片機信號I/O口（PA3）置1，（PA8）置0，閉合繼電器的常開觸頭，接通除濕模塊，LED0燈點亮；當濕度小于80%時，將信號I/O口置0，斷開繼電器的常開觸頭，斷開除濕模塊，LED0燈滅。

1.6 散熱模塊

散熱模塊利用5 V的繼電器作為開關，散熱風扇負端接繼電器常開觸頭，繼電器信號口接STM32單片機信號I/O口（PA4），進而實現控制散熱風扇啟動關斷的目的，散熱風扇由變壓器220 V轉12 V開關電源提供電。

當溫度大于23 ℃，將STM32單片機信號I/O口（PA4）置1，（PD2）置0，閉合繼電器的常開觸頭，接通散熱模塊，LED1燈點亮；當溫度小于23 ℃時，將信號I/O口置0，斷開繼電器的常開觸頭，斷開散熱模塊，LED1燈滅。

1.7 數據傳輸

單片機通I/O口PA9、PA10接USB-232數據線連接電腦。單片機通過CS（）函數向PC端發送一串16進制的實時電氣變量：溫度、濕度、電壓、電流。CS（）函數如下，在CS（）函數中利用if語句控制單片機傳送數據的時間，利用printf語句發送實時數據，在main函數中循環該函數實現數據的實時傳輸。 而XCOM V2.0通過監測串口將數據顯示在主界面上，圖8上位機顯示界面。

圖8 上位機顯示界面

2 系統調試

2.1 硬件電路的調試和結果分析

調試硬件電路的2個步驟主要分別表現為：靜態硬件調試和通電硬件調試。

2.1.1 靜態硬件調試

單片機靜態的硬件調試主要包括對單片機電源設備的檢查、溫濕度傳感器設備檢查、電流傳感器和電壓傳感器的設備檢查、繼電器的設備檢查。

⑴ 單片機電源的設備檢查：先把所有的用電設備從電路板上全部拔下來，然后給單片機電路板上5 V供電電源，最后按照接下來的順序用萬用表檢查所有的電源入口電壓的電壓情況和出口電壓的電壓情況。

⑵ 溫濕度傳感器的設備檢查：先檢查確保溫濕度傳感器沒有出現任何的損壞，檢查供電電源線路是否正常，再根據線路連接直流電源和地線，最后連接上單片機的數據線。

⑶ 電流傳感器和電壓傳感器的檢查：先確保電流傳感器和電壓傳感器硬件正常，然后檢查供電電源，分別連接電源和地線，然后接上單片機。電流傳感器和被測設備進行串聯連接，電壓傳感器和被測設備進行并聯連接。

⑷ 繼電器的設備檢查：先確保繼電器的供電電源是否正常，接地端必須與單片機同時接地，最后將開關的控制線連接單片機的控制引腳端口。而開關部分先將繼電器常開端口和公共端口與控制電路進行串聯，使其能開關部分能夠正常地進行控制散熱器和除濕器的自動開啟和自動關閉。

2.1.2 通電硬件調試

所謂的通電硬件調試就是指在一臺單片機完成系統上電后，需要確認單片機系統的每一個模塊和處理器等設備是否能夠正常工作，故要進行測試。首先是的單片機通過內部時鐘計算出星期、年月日、實時時間并在LCD顯示器上進行數據顯示；其次是通過溫濕度傳感器設備、電流傳感器設備、電壓傳感器設備的端口進行狀態的監測；然后在LCD顯示器上更新顯示設備的運行狀態；最后加熱環境測試到達一定的閾值以此來判斷控制散熱器的繼電器和指示燈是否正常工作，加濕環境測試到達一定的閾值以此來判斷控制除濕器的繼電器和指示燈是否正常工作。

表1 傳感器數據與實際測量數據對比表

2.2 軟件調試

使用單片機軟件進行斷點調試，使得各個功能模塊完成單獨的調試并且成功后，再將這些各個功能模塊都進行整合，進行一個總體的單片機功能系統調試。

單片機系統軟件的調試過程主要是通過以下步驟來實現的：

⑴ 編寫各個功能模塊程序，對各個模塊分別進行斷點調試。

⑵ 將前面編寫的程序集合到一個主程序里面進行聯合調試。

本次使用的調試軟件是KEIL，首先在KEIL軟件編寫溫濕度及電流電壓實時監測系統的主程序和子程序，主程序經過匯編后產生.Hex的格式文件，然后將生成的文件通過數據線燒寫到單片機中進行硬件的調試。

3 誤差分析

根據DHT11溫濕度傳感器傳回數據與實際溫濕度傳感器進行數據對比，其數值相差在1左右。

根據電流傳感器和電壓傳感器傳回的數據，由于精確到小數點后3位，隨著時間變化，數據會出現較小的波動，與萬用表數據測量數據進行對比。數據對比見表1。

4 總結

在查閱相關的開關柜資料，發現國內外對電力開關柜的電氣量的監測是十分重視的。本次課題的設計是制作開關柜模型，以及基于STM32單片機進行實時的電氣量的監測，在其中利用到了GPIO以及延遲函數的使用方法，再到電流電壓的端口電壓的監測從ADC的模數轉換的相關參數的配置，以及根據溫濕度傳感器時序圖來接收數據。測量得出實際結果與測量結果偏差不大，程序運行成功。