基于STM 32的SF6气体泄漏监控报警系统∗

李 倩傅 强徐 林

（1.河海大学机电学院 常州 213022）（2.常州集贤科技有限公司 常州 213022）

1 引言

SF6气体以其优异的绝缘和灭弧性能，在电力系统中得到广泛应用，SF6气体几乎成为高压、超高压断路器和GIS中唯一的绝缘和灭弧介质［1～2］。但电力系统中，由于电弧及局部放电、高温等因素影响下，SF6气体会进行分解，而其分解产物遇到水份后会产生一些剧毒物质，这些物质即便是微量也能致人非命［3～4］。当使用以气体为绝缘和灭弧介质的SF6室内开关在使用过程中发生泄漏时，泄漏出来的SF6气体及其分解产物会在室内低层空间积聚，且不易散发，易造成低层空间缺氧，对进入室内的检修及巡视人员的安全构成严重威胁［5］，有关部门已制订了一系列相应的行业安全法规，法规中明确规定了人员在进入SF6配电装置室时必须先通风15分钟，对空气中的SF6浓度及氧气含量进行监测，在SF6配电装置的低位区应安装能报警的氧量仪和SF6气体泄漏报警仪。

针对这一问题，本文设计一种基于STM32的SF6气体泄漏监控报警系统，采用多通路采集，多区域集中监控空气中SF6气体含量和氧气含量，当环境中SF6气体含量超标或缺氧时，能进行实时报警，同时自动开启风机进行通风，还能与上位机进行通信，进行数据存储和传输。

2 系统总体设计概述

本系统结构图如图1所示，主要由传感器模块、电源模块、主控制模块、LCD显示模块、声光报警模块、无线通讯模块等组成。

图1 系统结构框图

气体传感器把采集到的气体浓度信号转换成微弱的电压信号，经过信号调理，将放大后的电压信号送入STM32F103微处理器内的ADC的输入端，将模拟信号转换成数字信号，MCU将数字信号进行处理后，将得到的气体浓度信息输送给LCD液晶显示屏，对SF6泄漏量和氧气浓度实时显示，并将数据进行存储，若检测到的气体浓度参数超过用户的设定值，MCU就会通过声光报警电路进行声光报警，同时开启风机。MCU可以控制远端气体采集通路的切换，多路环境气体的循环吸入，多区域探测，实现集中检测与控制。上位机可以通过232总线与系统之间进行通讯，并显示实时测量数据/信息，对风机进行控制及进行记录保存。

3 系统硬件设计

3.1 主控制电路

本系统以STM32F103VCT6作为核心处理芯片，STM32F103VCT6单片机是ST公司基于Cortex-M3内核的32位微控制器［6］，是一款低功耗、低成本、高性价比的处理器，时钟频率72MHz，内置高速存储器，包括64K片内SRAM和512K片内FALSH，该芯片还具有丰富的内部资源，拥有51个可用的IO口，包含3个12位AD转换通道，4个16位普通定时器和2个高级定时器，3个USART串口，还有SPI、I2C、USB、CAN等接口，方便外部扩展，能够极大地简化系统的硬件设计［7～8］，而且其自带的固件库，避免了繁琐的寄存器操作，能够方便编程人员对软件进行开发，避免出错，能够大大提高编程效率，广泛应用于工业控制领域，因此选用此款芯片作为主控制器，其最小硬件系统如图2所示。

图2 最小硬件系统

3.2 传感器及信号调理电路

在本系统中，SF6气体泄漏检测运用的是红外光谱吸收技术。实验证明，当特定波段的红外光通过SF6气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收［9］，其吸收关系服从朗伯—比尔吸收定律，即吸收与SF6气体浓度呈现自然指数关系［10～11］。与其他检测技术相比，运用红外光谱吸收技术检测SF6气体，检测精度高，稳定可靠，且不受环境温湿度等条件限制，选用德国smartGAS公司的SF6传感器，传感器分辨率为0.1ppm，精度可达1ppm，因为SF6传感器输出TTL电平，因此可以直接通过STM32的USART端口与SF6传感器输出端口相连，进行通信。

氧气含量的检测采用电化学传感器，电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作［12～13］，具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命，选择美国进口的MAX250B氧气传感器，测量范围为0～100%VOL，分辨率为±0.1%，响应时间：＜15s，精度：±1%，输出的电压为10mV～16mV，输出的电压信号过小，因此需要经过电压信号调理，选用高精度单电源供电、轨对轨运算放大芯片AD623AR，将放大后的输出信号送至STM32F103的AD转换模块，实现气体传感器的信号采集，氧气信号采集电路如图3所示。

图3 氧气信号采集电路

3.3 电源电路

STM32F103单片机工作电压为3.3V，风机和继电器工作电压为12V，传感器电路工作电压为5V，因此需要设计合理的电源电路给本系统供电。选用具有短路过载过压保护功能的NES-75-12型号开关电源，将220V的交流电转换成12V的直流电，并使用LM117系列的三端可调输出的线性稳压器，将12V的电压依次调节到5V和3.3V供MCU和其他外围电路使用，其电源电路如图4所示。

图4 电源电路

3.4 显示及通信电路

考虑到完整的信息显示和友好的人机界面，使用迪文科技有限公司型号为DMT80480T070_15WT的液晶屏，分辨率为800×400、65K色，该屏具有触摸功能，在硬件设计时不需要添加按键电路，只需要编写液晶按键程序就可实现按键功能，实现参数设定、数据存储等功能。

STM32F103主控制芯片内部有USART通道，具备与其他外部设备通信的功能，但由于STM32F103的输入输出电平都是TTL电平，而上位机使用的是RS232标准串行接口，为实现通信，必须加入串口通信模块，进行电平转换，在本系统中使用SP3232E芯片实现串口通信功能，其电路原理图如图5所示。

图5 通信电路

3.5 报警电路

为了增强报警效果，SF6气体泄漏检测报警系统采用声光同时报警的方式。声音报警采用电磁式有源蜂鸣器，型号为HTY—1205，该蜂鸣器体积小、分贝高，通过控制STM32F103的PWM输出信号驱动蜂鸣器使其发声；发光报警采用发光二极管，通过控制STM32F103的输出信号使发光二极管闪烁。

当检测到SF6气体浓度超标或者氧气浓度不足时，进行声光报警，同时开启风机，采用UL2003A驱动芯片来驱动风机，此芯片具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类功率要求的驱动系统。单片机通过输出脉宽调制信号控制电机启停。

4 系统软件设计

系统软件程序利用STM32固件库函数，在keil MDK环境下，使用C语言进行编写，采用模块化设计，使程序易于移植和维护［14～15］。系统程序主要包括系统初始化、信号采集处理、声光报警、数据显示与存储，其主流程图如图6所示。

图6 系统主流程图

5 系统功能与测试

为了对泄漏检测报警系统的测量精度进行标定，利用SF6气体和氧气标准气体来测试传感器的检测精度和稳定性，将标准值和检测值进行多次比对，氧气检测范围为15%～25%，SF6气体检测范围为0～1500ppm，检测试验结果如表1所示。

表1 O2和SF6实验测试数据

由表1可知，在不同浓度的气体下，O2误差≤0.6%，SF6误差≤16ppm，说明该SF6气体泄漏检测报警系统满足设计要求。

6 结语

基于STM32的SF6气体泄漏检测报警系统通过多通道气体采集，选用高性能的STM32微处理器和高精度的气体传感器，能同时对多组数据进行显示、存储，并能通过总线与上位机通信，进行数据传输。经过测试结果表明，本系统完全达到主要性能指标，能够实时监测SF6气体含量和氧气浓度，当SF6气体浓度超标或缺氧进行声光报警并启动风机，测量精度高、响应速度快、报警性能好，而且人机界面好、操作简单、实用性强，本系统完全符合国家或电力行业关于《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》，可广泛应用于各种电压等级的SF6开关室、组合电器室（GIS室）、SF6主变室等场所。