基于STM32的六氟化硫智能濃度監測儀設計

洪明虎 戴其華 馮友志

摘 要： 本文設計了一種六氟化硫濃度智能監測系統，該系統基于STM32單片機開發，通過超聲波傳感器監測電力設備使用環境中的六氟化硫濃度，當出現濃度超標時，及時報警，確保人生安全。同時該系統結合人體感應傳感器、語音播報系統，當有人接近設備時可語音播報當前六氟化硫濃度，做到實時提醒。

關鍵詞：STM32 單片機；智能監測；報警

*2021年泰州職業技術學院院級科研項目資助；項目號：TZYKY-21-17。

六氟化硫（SF6）以其優異的絕緣和滅弧性能，被廣泛用于電力工業的高壓、超高壓斷路器和GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬封閉開關設備）中，由于設備的制造、安裝質量差異和設備老化等因素，SF6氣體設備發生泄漏是一種普遍現象[1]。純凈的SF6氣體無毒，在常溫下化學性質穩定，實際操作中，泄漏的SF6被電擊后將產生有毒氣體，這不僅會危及電力安全，對大氣環境造成極大危害，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測，傳統的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]，同時傳統檢測硬件系統在成本、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實時監測設備設計。

1 系統總體設計

超聲波在不同介質中，傳播速度是不同的，根據這一原理，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濃度存在一定關系，通過所需時間長短反應SF6濃度[4]。

本設計是一套集STM32單片機系統、超聲波測量傳感器、人體紅外感應傳感器、電源模塊、以及顯示模塊設計成一體的SF6濃度監測系統，該設備可實現SF6濃度測量、溫濕度監測以及觸摸屏顯示、超限語音報警等功能。當有人接近電力設備時，系統及時顯示監測濃度值，當濃度超標時進行報警操作。

2 硬件模塊設計

2.1 芯片及電源模塊設計

此次設計選用的是STM32F103C8T6型單片機，出自ST（意法半導體）公司，是一款基于Cortex-M3內核與ARMv7-M架構的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]。

單片機控制系統外圍接口電路如圖2，該系統外部采用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0.1μF的濾波電容。其余引腳分配給USART，ADC，I2C等外設。

電源部分采用AC-DC模塊，將市電交流220 V轉換成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定性，屏蔽了外部電源干擾造成整個系統的崩潰。由于系統內部功能模塊采用5 V供電和3.3 V供電，因此次設計時采用TI公司的TPS5430 DC-DC穩壓芯片，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。具體電路設計如圖3所示。

2.2 傳感器采集電路設計

系統采用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。

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不穩定，容易造成鎖死。此次設計中SHT30的引腳并未與單片機的I2C外設引腳直接相連接，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。

考慮到智能化使用需求，該監測儀具備人體接近語音播報功能，當人體靠近被測環境時，人體紅外感應傳感器HC-SR501觸發語音模塊JR6001對當前監測值進行實時播報。人體紅外感應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，人體紅外感應模塊觸發電平輸出與單片機引腳之間采用光耦隔離。

3 系統軟件設計

本系統進行代碼編寫與軟件調試均采用keil軟件，主要程序流程圖如圖8所示。當設備電源開啟后，系統各功能進行初始化，初始化完成后對系統參數進行讀取，接下來就是對SF6傳感器以及溫濕度傳感器數據在不超標的情況下進行循環采集，采集過程中如發現泄漏超標，將實時通過報警器進行報警。在實時數據采集過程中，當有人接近時，語音播報系統將播報當前監測值。

3.1 主程序

4 系統調試

進行初期硬件靜態測試，確認各元器件焊點無虛焊、漏焊等不良現象，電源網絡無短路后，通電進行硬件電路功能調試。待硬件電路功能基本實現后開始進行軟件燒錄、調試以及系統測試。如圖所示實物系統測試，測試過程中，出現按鍵功能混亂問題，通過修正軟件后解決該問題。

5 結語

基于STM32的SF6濃度智能監測儀設計，明確了設計需求，結合設計需求，對各功能模塊進行硬件系統及軟件系統設計，整個系統耗電量小，體積小、精度高，能滿足電力行業監測的實際要求，下一步計劃采用5G物聯網技術實現多點聯控，APP內報警提示。

參考文獻：

[1] 郭利民，趙紅梅，呂運朋，等.SF6氣體泄漏環境在線智能檢測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，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SF6氣體泄露監測系統的設計[J].電器工業， 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].電子技術應用，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計[J].電子設計工程，2021，5（10）：101-104.