电力设备远程控制和报警系统设计

周 杨

（国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山 064300）

1 研究目的及意义

蓄能电厂的作用主要是作为源头和承载体让电力输送顺利进行。一般处于离城区较远的山区，并且部分配电变压器和电缆等电力设备远离办公区，这也导致了对它的看护措施和巡检难以照顾周全，配电变压器和电缆等设备的防盗措施也很难成功实施。电力设备遭到破坏不仅损害了人民的利益，还给电力企业和电力使用部门带来巨大的经济损失。

2 报警器的分类及其介绍

2.1 被动式红外传感器

被动式红外传感技术能最高效率地将飘落的物体和正处于运动状态中的生物体（人）划分界限并区分开来，原因是红外光敏器件能接收到活动生物体发出的微量红外线，并将其转换成相应的电信号，再集中进行放大、处理。与此同时还具有误报率低、抗干扰能力强、监控范围大、隐蔽性好等诸多特点。信息处理，光学系统和红外传感器3个独立部分组成了被动式红外入侵报警器，被动式红外入侵报警器也叫做热释电红外入侵报警器。它由折射式、反射式和透射式3种光学系统与之相辅相成。在这三者之中，灵敏度最高的还属反射式光学系统，只要处于25~60 m的距离之间，均可以探测到信号；其次是折射式的灵敏度，处于中间水平，既不居高也不偏低，它集成了透射式和反射式的优缺点。最后是透射式的灵敏度，它在这三者之中处于最低水平，它的探测距离较短，仅仅处于2~10 m之间，这是它的不足所在。

2.2 主动式红外探测器

主动式红外探测器由3个不同的部分组成，分别是报警控制器、红外发射机、红外接收机。光学透镜在光学系统中一般放置于收、发端位置，它能将发散的红外光束聚焦成集中的平行光束，从而能够使红外光的能量更集中的传送。红外光是人眼所不可见的，有物体经过，必然会遮挡住部分或者全部红外光束。红外光束被遮挡会影响到接收端输出的电信号强度，其强度发生变化，就会触发报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器光学系统一定要注意维护保养，使其保持绝对的清洁。主动式探测器所探测的不是一个面的范围，而是点到点的范围。探测可靠性高是主动式红外探测器主要特点。但它也有不足的一面，若布防探测的范围是相对较广的空间，则需要同时安装多个主动式探测器，安装价格会大大的升高。个人用户不常用主动式探测器，一般用在离城区较远地区或山区的配电变压器和电缆等电力设备上。

3 整体电路的设计

本文的电力设备远程控制和报警系统由单片机进行控制，通过传感器检测信号，并传输，然后再发送报警信息，从而达到防盗效果。传统的电力设备智能防盗防破坏报警器由于只能在装置安装处发出警报，不能将情况远程发送到接收端，从而导致违规违法行为不能得到及时有效的制止。同时其还因存在装配难度较大而备受局限。本设计的智能控制报警系统通过传感器采集人体位置、震感和失电这3个信息，经由单片机控制、输出，触发报警声和警示灯，然后再由通信模块向维护人员、值班人员、巡检人员发出警示信息。它共有5个主要组成模块，分别为GPRS GA6通信模块、失电传感器模块、主控单片机、振动传感器模块和人体红外感应传感器模块。

一个系统的变压器作为支持输配电工作的关键点，是至关重要的，一旦变压器被损坏或被盗，电厂机组工作就会被迫中断，毫无预备的停止工作会造成机组整体机械结构和电路的致命性损坏。本设计主要由软件和硬件两个部分组成。共有单片机控制、GSM短信模块报警数据采集等3个子模块。振动传感器、热释电红外传感器、单片机控制电路、GSM短信模块及相关的控制管理软件组成了它的结构。用户终端可利用它实现信息的采集与处理、数据的传送、短信报警等作用，完成相应防范功能。

图1 总体设计框图

设计中的处理器采用了51系列单片机STC89C51。系统软件控制着整个系统的工作。人体辐射的红外光谱散发出来后被设置在监测点上的红外探头采集到，其信号就会被变换成电信号，再经放大电路、比较电路处理送至门限开关，打开门限阀后把TTL 电平送至51单片机。此系统接收到振动信号，传导到单片机内对信号进行查询、识别、判断。驱动电路需将控制信号放大实现报警功能。当报警已经延迟20 s或一段时间后还检测到振动信号和人体信号，事先设定好的用户就会收到推动GSM模块发送的报警信息，同时报警信号也可经人工手动解除，当警情消除后系统会借助复位电路复位。

4 硬件设计

4.1 最小系统

STC89C51单片机是集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，作为中央处理系统。

图2 单片机最小系统电路

此类芯片组成的最小系统具有精简、信赖度强的特点。在使用时只要连接时钟电路和复位电路就可正常运行，如图3示。因为集成度的约束，最小应用系统仅可用于某些小型的控制单元。

图3 单片机最小系统原理框图

4.2 人体红外采集电路设计

物体产生红外光谱的条件是温度高于绝对温度（-273℃），温度的高低，影响其释放的红外能量波长的长短，所以红外波长与温度的高低息息相关。

热释电红外传感器(PIR)和菲涅尔透镜作为被动红外探测器中有两个关键性元件，其中热释电红外传感器(PIR)可将处于8~12 μm之间波长的红外信号变化转变为电信号，同时具有抑制自然界中的白光信号的功能，所以在警戒区域无人体移动时，热释电红外感应器感应到的是背景温度，当警戒区域有人体移动时，热释电红外感应器通过菲涅尔透镜能感应到背景温度与人体温度两者的温度差异。

菲涅尔透镜可由反射式和折射式两种形式相辅相成。具有聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，警戒区域被划分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，电信号由此产生。

人体在恒定体温（37 ℃）时，会发出特定波长在10 μm左右的红外线，被动式红外探头的作用就是探测人体发射的10 μm左右的红外线，它将人体发射的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。热释电元件在接收到人体红外辐射变化温度时会发生失去电荷平衡的现象，随后向外界释放电荷，报警信号由后续电路检测处理后产生。

图4 人体感应模块电路图

4.3 时钟电路和复位电路

STC89C51单片机的时钟信号主要包含两种方式：一种内部形成，二为外部形成。如图5显示。存在于STC89C51单片机里的振荡电路，仅用于单片机 XTAL1（18）和 XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），在组成自激振荡器的同时于单片机内部产生时钟脉冲信号。此部分电路中相关电容具有稳定频率与快速起振的功能，电容值为5~30 pF，一般值是30 pF。晶振CYS的振荡频率限制在1.2~12 MHz，一般值在6 MHz与12 MHz。

图5 STC89C51复位电路

4.4 声光报警模块

该系统设计中所包含的报警电路，在布防的状态下检测到设定信号时，蜂鸣器 LED亮起同时发声报警，直至管理人员按下撤防，才会停止发声报警。产品利用三极管作为开关电路既有保护单片机本身的作用，也有放大电流的作用，此外当三极管基极高电平，发射极可以及时截止，低电平时，发射极还可以导通。报警模块如图6所示。

图6 声光报警模块

4.5 振动模块

本设计的振动模块采用SW-420常闭型振动传感器，与常开型的振动传感器相比，它所需的触发时间更长。正常工作电压在3.3~5 V之间，采用数字量输出，一旦检测到震感，振动开关自动断开。本设计通过主控单片机来检测该模块输出电平的高低，由此来鉴别监测范围内是否有震感，从而达到报警的作用。SW-420常闭型振动传感器的电路图如图7所示。

图7 SW-420振动传感器电路图

4.6 SIM900A模块

数据传输的通信核心就是GSM通信模块。当然，SIM900A也有很多的优势，它除了可以安全快速可靠地进行语言传输，系统方案中的数据、短消息服务（Short Message Service）之外，还可以进行传真。

5 结论

本文利用具有单片机控制、GSM短信模块报警、数据采集等3个子模块。振动传感器、热释电红外传感器、单片机控制电路、GSM短信模块及相关的控制管理软件组成了它的结构。用户终端可利用它实现信息的采集与处理、数据的传送、短信报警等作用，完成相应防范功能。

处理器采用了51系列单片机STC89C51。系统软件控制着整个系统的工作。其中主动式红外探测器和被动式红外传感技术能最高效率地将飘落的物体和正处于运动状态中的生物体(人)划分界限并区分开来，原因是红外光敏器件能接收到活动生物体发出的微量红外线，并将其转换成相应的电信号，再集中进行放大，处理。本设计的振动模块采用SW-420常闭型振动传感器，通过主控单片机来检测该模块输出电平的高低，由此来鉴别监测范围内是否有震感，从而达到报警的作用。数据传输的通信核心是GSM通信模块。可以安全快速可靠地进行语言传输，系统方案中的数据、短消息服务（Short Message Service）之外，也可以进行传真。总之，提高电力设备防盗系统的设计，可以减少配电变压器和电缆等电力设备被人为偷窃或其他因素的破坏现象，保证电力设备和用电安全。