基于STM32的六氟化硫智能浓度监测仪设计

洪明虎 戴其华 冯友志

摘 要： 本文设计了一种六氟化硫浓度智能监测系统，该系统基于STM32单片机开发，通过超声波传感器监测电力设备使用环境中的六氟化硫浓度，当出现浓度超标时，及时报警，确保人生安全。同时该系统结合人体感应传感器、语音播报系统，当有人接近设备时可语音播报当前六氟化硫浓度，做到实时提醒。

关键词：STM32 单片机；智能监测；报警

*2021年泰州職业技术学院院级科研项目资助；项目号：TZYKY-21-17。

六氟化硫（SF6）以其优异的绝缘和灭弧性能，被广泛用于电力工业的高压、超高压断路器和GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘金属封闭开关设备）中，由于设备的制造、安装质量差异和设备老化等因素，SF6气体设备发生泄漏是一种普遍现象[1]。纯净的SF6气体无毒，在常温下化学性质稳定，实际操作中，泄漏的SF6被电击后将产生有毒气体，这不仅会危及电力安全，对大气环境造成极大危害，而且会造成低层空间缺氧使人窒息[2]，出于安全考虑，必须对泄漏的SF6气体浓度进行实时监测，传统的SF6气体浓度检测方法是采用气敏传感器进行检测，但气敏传感器的精度低、寿命短[3]，同时传统检测硬件系统在成本、功耗以及性能方面均不能满足当前需求，因此本文提出基于STM32的SF6实时监测设备设计。

1 系统总体设计

超声波在不同介质中，传播速度是不同的，根据这一原理，当不同浓度的SF6气体和空气混合后，超声波通过固定距离所需时间与SF6浓度存在一定关系，通过所需时间长短反应SF6浓度[4]。

本设计是一套集STM32单片机系统、超声波测量传感器、人体红外感应传感器、电源模块、以及显示模块设计成一体的SF6浓度监测系统，该设备可实现SF6浓度测量、温湿度监测以及触摸屏显示、超限语音报警等功能。当有人接近电力设备时，系统及时显示监测浓度值，当浓度超标时进行报警操作。

2 硬件模块设计

2.1 芯片及电源模块设计

此次设计选用的是STM32F103C8T6型单片机，出自ST（意法半导体）公司，是一款基于Cortex-M3内核与ARMv7-M架构的32位微控制器，时钟频率高达72 MHz，该芯片功耗低，外围IO口充足，同时具有9个通信接口[5]。

单片机控制系统外围接口电路如图2，该系统外部采用8 M无源晶体振荡器作为其高速时钟，采用32.768 kKz的无源晶体振荡器作为RTC时钟。程序采用SWD烧写模式。单片机的电源引脚接3.3 V并就近放置一个0.1μF的滤波电容。其余引脚分配给USART，ADC，I2C等外设。

电源部分采用AC-DC模块，将市电交流220 V转换成12 V直流，配合压敏电阻，共模电感，滤波电容，提高了电路的安全性和稳定性，屏蔽了外部电源干扰造成整个系统的崩溃。由于系统内部功能模块采用5 V供电和3.3 V供电，因此次设计时采用TI公司的TPS5430 DC-DC稳压芯片，将12 V电压降低至5 V，再利用LDO将5 V降低至3.3 V给单片机供电。具体电路设计如图3所示。

2.2 传感器采集电路设计

系统采用SZQ68型SF6传感器，是基于超声波吸收原理，具备高灵敏度，寿命长。其测量范围为0～2 000 ppm，测量精度为±5%。该传感器输入供电电压为5 V，通信接口为串口。串口电平为3.3 V可以与单片机直连。硬件电路如图4所示。

温湿度传感器为SHT30，供电电压为3.3 V，通信方式为I2C。由于STM32F1系列单片机的硬件I2C不稳定，容易造成锁死。此次设计中SHT30的引脚并未与单片机的I2C外设引脚直接相连接，通过模拟I2C来读取温湿度，这在一定程度上造成了CPU性能的浪费。硬件电路如图5所示。

考虑到智能化使用需求，该监测仪具备人体接近语音播报功能，当人体靠近被测环境时，人体红外感应传感器HC-SR501触发语音模块JR6001对当前监测值进行实时播报。人体红外感应传感器与语音模块供电电压均为5 V，硬件电路如图6、图7所示。为了保护单片机系统，人体红外感应模块触发电平输出与单片机引脚之间采用光耦隔离。

3 系统软件设计

本系统进行代码编写与软件调试均采用keil软件，主要程序流程图如图8所示。当设备电源开启后，系统各功能进行初始化，初始化完成后对系统参数进行读取，接下来就是对SF6传感器以及温湿度传感器数据在不超标的情况下进行循环采集，采集过程中如发现泄漏超标，将实时通过报警器进行报警。在实时数据采集过程中，当有人接近时，语音播报系统将播报当前监测值。

3.1 主程序

4 系统调试

进行初期硬件静态测试，确认各元器件焊点无虚焊、漏焊等不良现象，电源网络无短路后，通电进行硬件电路功能调试。待硬件电路功能基本实现后开始进行软件烧录、调试以及系统测试。如图所示实物系统测试，测试过程中，出现按键功能混乱问题，通过修正软件后解决该问题。

5 结语

基于STM32的SF6浓度智能监测仪设计，明确了设计需求，结合设计需求，对各功能模块进行硬件系统及软件系统设计，整个系统耗电量小，体积小、精度高，能满足电力行业监测的实际要求，下一步计划采用5G物联网技术实现多点联控，APP内报警提示。

参考文献：

[1] 郭利民，赵红梅，吕运朋，等.SF6气体泄漏环境在线智能检测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2011，（8）：76-78.

[2] 蔡艺剧，黄勇，尹遴，等.一种新的微量气体浓度检测方法[J].化工自动化及仪表，2012，39（4）：477-479.

[3] 彭静.电力系统SF6气体泄露监测系统的设计[J].电器工业， 2011，（2）：47-50.

[4] 张龙飞，韩方源，梁沁沁，等.基于超声法的微量SF6泄漏检测[J].电子技术应用，2016，42（8）：101-104.

[5] 李芯怡，孫梦茹，郭思蔷，等. 基于STM32F103型单片机的新型车载护童报警装置设计[J].电子设计工程，2021，5（10）：101-104.