基于STM32的六氟化硫智能濃度監測儀設計*

*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0.1 μF 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，

圖2 控制系統電路

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。

圖3 電源電路

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。

圖4 SF₆傳感器電路

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。

圖5 SHT30電路

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。

圖6 人體紅外感應模塊電路

圖7 語音模塊

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

STM32 模塊主程序典型代碼如下 ：

u16 SF6_DATA,SF6_POLL_CNT=0; // 定義輪詢計數和SF6 數據初始化

u8 IR_CNT=60; // 定義有人計時

u8 Threshold_STA=0;// 定義閾值更新標志位/* 定時器4 中斷回調函數*/

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

　　if(htim->Instance == TIM4)

{

if(READ_IR==0)

{

SF6_POLL_CNT=0；

IR_CNT++；

}

// 當感應到附近有人存在時輪詢計數歸零，有人計時累加

else

{

SF6_POLL_CNT++;

IR_CNT=0；

} // 附近無人輪詢計數累加，有人計時歸零if（KEY_ON==1） // 當按鍵寄存器被按下，按鍵計數累加

{

KEY_CNT++; // 按鍵計數每秒累加

}

　　}

}

int main(void)

{

HAL_Init(); //HAL 庫初始化

SystemClock_Config(); // 系統時鐘初始化

MX_GPIO_Init(); //GPIO 引腳初始化

MX_DMA_Init(); //DMA 初始化

MX_ADC1_Init(); //ADC 初始化

MX_TIM3_Init(); // 定時器3 初始化，用于us延時

MX_TIM4_Init(); // 定時器4 初始化，1S 定時，用于輪詢SF6 測量數值

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);// 開啟定時器4中斷

MX_USART1_UART_Init();// 串口1 初始化，用于播放語音報警

MX_USART3_UART_Init();// 串口3 初始化，用于SF6 傳感器通信

FLASH_READ(); // 讀取單片機內部FLASH 存儲的SF6 報警閾值

OLED_Init(); //OLED 顯示屏初始化

while（1）

{

if（SF6_POLL_CNT ≥ 600）//10 分鐘輪詢一次SF6 數值并更新一次OLED 屏

{

HAL_UART_Transmit(&huart3,POLL_BUFF ,len,1000);// 發送輪詢命令

HAL_Delay(100); // 延時100 mssensor_read();

}

if(READ_IR==0) // 當感應到附近有人后

{

HAL_Delay(20); // 延時，防止誤報if(（READ_IR==0)&&（IR_CNT ≥ 60））// 有人隔1 分鐘循環讀取超聲波SF6 傳感器

{

SF6_POLL_CNT =0;// 輪詢計數清零sensor_read();

IR_CNT=0；

}

}

if(KEY_CNT ≥ 20)// 當20S 無按鍵時，OLED 恢復顯示當前SF6 濃度

{

KEY_CNT=0；

KEY_STA=0;

OLED_ShowNum(0,0, SF6_ADC,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm

}

}

}

3.2 傳感器監測程序設計

/*****************

傳感器讀取數據處理。

*****************/

void sensor_read(void)

{

if(SF6_DATA ≥ SF6_ Threshold)

//SF6 數據在串口接收中斷中完成讀取，當超過閾值后處理過程

{

if（SF6_ADC ≥ SF6_ Threshold）

{

OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1); // 顯示單位ppm

HAL_UART_Transmit(&huart1, warn_buff ,2,1000);// 串口1 發送報警數據

}

else // 當SF6 測量濃度未超過閾值，則正常更新OLED 屏數據

{

OLED_ShowNum(0,0, SF6_DATA,4,16,1)；//OLED屏幕更新數字

OLED_ShowString(8,16,”ppm”,16,1);// 顯示單位ppm

if (SF6_POLL_CNT ==0) // 當有人播放“正常語音”

{

HAL_UART_Transmit(&huart1, normal_buff ,2,1000);

}

}

SF6_POLL_CNT =0；// 輪詢計數清零，進入下次輪詢周期

}

3.3 顯示及按鍵程序設計

/*************

OLED 顯示數字

x,y: 起點坐標

num：顯示數字

len：數字位數

size：字體大小

mode：0 ，反色顯示；1，正常顯示

************/

void OLED_ShowNum(u8 x,u8 y,u32 num,u8 len,u8

size,u8 mode)

{

if(ADD_KEY==0) // 當增加閾值按鍵按下

{

HAL_Delay(20); // 延時消抖

if(ADD_KEY==0)

{

SF6_ Threshold+=10；// 閾值增加10

if(SF6_ Threshold ≥ 2000) SF6_ Threshold=2000；

// 最高值為2000ppm

OLED_Clear();

OLED_ShowChinese(0,0,0,16,1);// 顯示“閾”

OLED_ShowChinese(18,0,1,16,1);/ 顯示“值”

OLED_ShowString(36,0,”：”,16,1);// 顯示“：”

OLED_ShowNum(54,0, SF6_ Threshold,4,16,1)；// 顯示數字

KEY_ON++1; // 按鍵標志位置累加

KEY_CNT=0; // 按鍵計數歸零

}

if(CUT_KEY==0) // 當減少閾值按鍵按下

{

HAL_Delay(20); // 延時消抖

if(CUT_KEY==0)

{

SF6_ Threshold-=10；// 閾值減少10

if（SF6_ Threshold ≤ 100） SF6_ Threshold=100；

// 最低值為100ppm

OLED_Clear();

OLED_ShowChinese(0,0,0,16,1);// 顯示“閾”

OLED_ShowChinese(18,0,1,16,1);/ 顯示“值”

OLED_ShowString(36,0,”：”,16,1);// 顯示“：”

OLED_ShowNum(54,0, SF6_ Threshold,4,16,1)；//

顯示數字

KEY_ON++; // 按鍵標志位置累加

KEY_CNT=0; // 按鍵計數歸零

}

}

}

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。

圖9 實物圖

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.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年9月期）