徐濤，田鵬，廖俊必

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

基于GSM的陰極保護(hù)電壓表設(shè)計(jì)

徐濤，田鵬，廖俊必

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

陰極保護(hù)是常用的管道防腐技術(shù)，陰極保護(hù)電壓是該技術(shù)的核心參數(shù)。本文提出了基于GSM模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)化陰極電壓表設(shè)計(jì)方案。其中以STC15W4K32S4芯片作為MCU，實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量、電路控制；電源采用磷酸鐵鋰電池，直接供電MCU，LT1370IR升壓至5 V供電給GSM模塊，太陽(yáng)能板補(bǔ)充電池電能。無(wú)需測(cè)量時(shí)，電路進(jìn)入掉電模式，極大程度省電，可廣泛應(yīng)用到沙漠、戈壁、叢林等人際罕至的油氣管道線上。

陰極保護(hù)；GSM模塊；太陽(yáng)能供電；掉電模式

陰極保護(hù)是常用的管道防腐技術(shù)［1］，陰極保護(hù)電壓是該技術(shù)的核心參數(shù)。當(dāng)前有多種測(cè)量陰極保護(hù)的電壓表，但應(yīng)用到沙漠、戈壁、叢林等荒無(wú)人煙的極為稀少。由于環(huán)境惡劣、長(zhǎng)期無(wú)人維護(hù)以及油氣管道的防爆要求高，陰極保護(hù)電壓表的可靠性、節(jié)能性、安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)于陰極保護(hù)電壓表，僅由電池、升壓電路、GSM模塊、MCU構(gòu)成。電池采用磷酸鐵鋰［2］，其安全性、可靠性高，自放電率低，能夠滿足使用環(huán)境要求。升壓電路與GSM模塊共地，場(chǎng)效應(yīng)管控制開(kāi)閉。MCU采用STC15W4K32S4，由鐵鋰電池直接供電，集成晶振、內(nèi)部時(shí)鐘、AD并且有掉電專用定時(shí)器喚醒單片機(jī)，節(jié)省大量外圍電路，節(jié)能的同時(shí)可靠性高。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

陰極保護(hù)電壓表要應(yīng)用到沙漠、戈壁、叢林等人際罕至區(qū)域的油氣管道上。這些地方很少有人去，安裝要安全可靠，且具備一定的防災(zāi)害能力。

圖1所示為陰極保護(hù)電壓表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖［3］，為延緩管道腐蝕的速度，在管道附近安置一個(gè)電源，電源負(fù)極接到管道上，電源正極接到鐵塊上，全部均埋于地下。如此管道電壓始終較低，可以起到一定的防腐蝕作用。參考電極鐵塊放置于管道另一側(cè)，為測(cè)量點(diǎn)負(fù)極，測(cè)量點(diǎn)正極即為管道。

陰極保護(hù)電壓表裝在一根直徑約100 mm的小型管道里面，該管道與油氣輸送管道焊牢，測(cè)量管高出地面1 m左右。5 V太陽(yáng)能板起補(bǔ)充電能作用，直徑100 mm，最大功率1.08 W，峰值電流160 mA。

供電電源必須通過(guò)防爆認(rèn)證，且要具備低的自放電率以及適應(yīng)惡劣環(huán)境要求。磷酸鐵鋰電池其性能可靠，另一方面在5 V的太陽(yáng)能板輸入下能夠補(bǔ)充電能，因而此處選擇該電池。

圖1　陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1功耗估算

按照1年以內(nèi)，在沒(méi)有太陽(yáng)能補(bǔ)充電能的情況下，電壓表依舊能夠正常工作的能耗需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電能消耗在此處用電池的容量的表示方式來(lái)計(jì)算，即電流與時(shí)間的乘積，單位為AH，其公式如1所示。

在電路中，消耗電池電能的主要有MCU、GSM模塊、Boost升壓電路、加法電路模塊，總的能耗如公式（2）所示。

由于MCU是電池直接供電，所以MCU得功耗有待機(jī)或掉電消耗與測(cè)量消耗兩部分構(gòu)成，如公式（3）所示。

公式中PMCU是MCU的功耗，ID、TD是待機(jī)或掉電電流與時(shí)間，IC、TC是工作電流與時(shí)間。單片機(jī)在待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電流值，按照數(shù)據(jù)手冊(cè)為7 mA，若進(jìn)入掉電模式，則電流低于3 μA，在功耗估算時(shí)可忽略不計(jì)，在測(cè)量電壓值時(shí)，冗余估算20 mA，持續(xù)時(shí)間50 s，其中啟動(dòng)GSM模塊、加法電路模塊等電路15 s，測(cè)量電壓值和通信10 s，等待短信發(fā)送25 s。

PY表示1年的功耗，待機(jī)模式的功耗為：

很明顯若單片機(jī)處于待機(jī)模式，則要選擇大容量的磷酸鐵鋰電池，但受限于管徑以及成本，顯然是不可取的。由此單片機(jī)工作時(shí)應(yīng)采用掉電喚醒模式，電流為微安級(jí)別，可忽略不計(jì)。

GSM模塊在電能消耗中占絕大部分，按照數(shù)據(jù)手冊(cè)，工作時(shí)的最低電流25 mA，最大電流180 mA，且在啟動(dòng)瞬間需要1.5 A的大電流。此處冗余估算200 mA，持續(xù)時(shí)間為50 s。

Boost升壓電路，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，工作電流為4.5mA，冗余估計(jì)5 mA。加法電路采用LM324，在5 V工作時(shí)，手冊(cè)為1.2 mA，冗余估計(jì)2 mA。持續(xù)時(shí)間均以50 s計(jì)算。

所有功耗每天測(cè)一次，測(cè)一年的消耗為：

選用的磷酸鐵鋰電池，自放電率20±5℃下每個(gè)月＜5%；55±2℃下每月＜20%。電池安放在管道內(nèi)部，而管道與油氣管道相連，防雨防潮，并不會(huì)長(zhǎng)期處于非常高的溫度中。此處的計(jì)算按照平均5%的自放電率計(jì)算，12個(gè)月為60%，可用容量為40%，所以選擇10AH容量的電池能夠滿足設(shè)計(jì)需求。當(dāng)然也可以適當(dāng)增加成本選擇15A.H的更為保險(xiǎn)，受限于管徑，更大的電池容量，體積太大很難裝入管道中。

2.2能耗控制

根據(jù)功耗估算，除了MCU，在電壓表等待測(cè)量期間，所有其他器件均不會(huì)耗電，要做到這一點(diǎn)，則其他器件與電源之間處于斷路狀態(tài)。開(kāi)關(guān)控制采用N溝道MOFET場(chǎng)效應(yīng)管，所有其他模塊正極端均與蓄電池相連，負(fù)極端接到場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，其源極連蓄電池負(fù)極，MCU控制柵極實(shí)現(xiàn)開(kāi)合。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制型元件，MCU在進(jìn)入掉電模式之后，其I/O會(huì)保持不變，電平信號(hào)即可維持其關(guān)閉狀態(tài)。

光伏板的電壓平臺(tái)是5 V，鐵鋰平臺(tái)為3.2 V，壓差為1.8 V，此外由于我國(guó)大部分處于北回歸線以北，光伏板的實(shí)際輸出小于100 mA，而穩(wěn)壓管或者三端集成穩(wěn)壓芯片自耗電較大，不適用于此處。為從硬件上保護(hù)鐵鋰電池過(guò)充同時(shí)防止電池電能反向，在光伏板與電池之間加入兩個(gè)普通二極管將電壓降到3.8 V左右，不再單獨(dú)控制。

2.3加法電路

由于采用了陰極保護(hù)措施，理論上來(lái)講，管道與參考電極之間測(cè)出的電壓為負(fù)，但土壤物質(zhì)的改變，譬如雨水侵蝕，其電壓值可能為正。而在管道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)也表明，電壓值可能是正也可能是負(fù)，電壓區(qū)間為_(kāi)1 V至+1 V。

在單電源供電的情況下，要測(cè)量正負(fù)電壓值，則最為簡(jiǎn)化的方式就是采用加法電路［4］。

圖2　典型的加法電路

公式（4）中VFB為穩(wěn)壓芯片輸出的參考電壓，VC為陰極保護(hù)電壓，R1=R2=R3=R4選取1 M的阻值，主要需要電壓信號(hào)，減少電流消耗。另外R1=2Rf，反饋電阻用兩個(gè)阻值1 MΩ的電阻并聯(lián)。如此設(shè)計(jì)其輸出電壓為兩者輸入電壓和的二分之一。

公式（5）為設(shè)計(jì)的加法電路輸出，鐵鋰電池的最低工作電壓為2.7 V，測(cè)量區(qū)間冗余設(shè)計(jì)為±1.5 V，區(qū)間長(zhǎng)度為3 V，比鐵鋰電池的電壓區(qū)間要長(zhǎng)，所以輸出要降一半的電壓值。

另外MCU自帶的AD以供電電源為參考，電源電壓不穩(wěn)，需要利用穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓矯正，因此VFB也是MCU的AD矯正值。

2.4升壓電路

GSM模塊的工作電壓為DC4.5～5.2 V，鐵鋰電池的電壓平臺(tái)不足以驅(qū)動(dòng)其工作，需要進(jìn)行升壓處理，升壓采用典型的Boost電路［5］。此處也可以串聯(lián)兩節(jié)鐵鋰電池，然后用三端集成穩(wěn)壓芯片降壓，這種供電方式電壓為6.4 V，小型太陽(yáng)能板無(wú)法進(jìn)行電能補(bǔ)充，因而未采用。

如圖3所示為L(zhǎng)T1370IR芯片的Boost電路圖，最低輸入2.7 V，輸出電流可以達(dá)到3 A左右，能夠滿足GSM模塊啟動(dòng)瞬間1.5 A的電流要求。

按照數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)，理論值是5 V，但做電路時(shí)，電阻鏈的精度是不可預(yù)估的，所以R1用多圈電阻替代，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值使輸出電壓達(dá)到所需電壓值。輸入輸出電容都適當(dāng)增大，使電壓更加穩(wěn)定。

圖3　Boost電路

3　軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)的核心是掉電模式，STC15W4K32S4這款單片機(jī)內(nèi)部集成掉電定時(shí)器，定時(shí)器晶振為32 768 Hz，也就是常用的時(shí)間晶振。該掉電定時(shí)器最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為15 s。單片機(jī)進(jìn)入掉電模式之后，所有I/O的狀態(tài)將會(huì)保持不變，且晶振停振，內(nèi)存中的變量將會(huì)丟失，也即清零，因此用變量來(lái)對(duì)掉電定時(shí)器計(jì)滿24小時(shí)是不可實(shí)現(xiàn)的。

此外，為了防止程序跑偏，需要引入看門狗電路［6］，該MCU也集成了該功能，只要定時(shí)訪問(wèn)看門狗寄存器即可。當(dāng)然測(cè)量陰極保護(hù)電壓值、控制GSM的短信發(fā)送也是軟件設(shè)計(jì)必須的，而且每通道電壓值測(cè)100次平均確定穩(wěn)定。

程序中利用看門狗模塊和掉電定時(shí)器模塊的特性進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)24小時(shí)定時(shí)測(cè)量。具體的程序流程如圖4所示。

圖4為程序流程圖，在進(jìn)入掉電模式之后，晶振停振，其看門狗也不會(huì)計(jì)數(shù)。在掉電定時(shí)器喚醒MCU之后，需要延遲一定的時(shí)間等待晶振穩(wěn)定，程序設(shè)計(jì)時(shí)延遲1 ms左右。

圖4　程序流程圖

根據(jù)公式（7）計(jì)算最長(zhǎng)可以定時(shí)的時(shí)間為40.45小時(shí)，定時(shí)24小時(shí)，只需要設(shè)置好看門狗的溢出時(shí)間和掉電定時(shí)器的溢出時(shí)間即可。

4　實(shí)物圖

如圖5為可以正常工作的陰極保護(hù)電壓表實(shí)物圖，測(cè)量板和電池放在內(nèi)部，太陽(yáng)能板只有中間長(zhǎng)方形區(qū)域有效，兩側(cè)用螺釘固定在金屬蓋上面。在實(shí)際安裝時(shí)，金屬蓋上面還要粘貼一層有機(jī)玻璃防雨，保護(hù)太陽(yáng)能板。

圖5　陰極保護(hù)電壓實(shí)物圖

5　實(shí)際功耗

在輸入電源之間串接高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量該陰極保護(hù)電壓表整個(gè)工作過(guò)程的電流變化，并攝錄電流變化視頻。根據(jù)視頻記錄，按照每秒一個(gè)電流數(shù)據(jù)的形式記錄在Exce1中并畫出電流變化曲線圖，以及計(jì)算實(shí)際測(cè)量的整個(gè)過(guò)程的功耗。

圖6　測(cè)量工作電流變化曲線

從圖中可以看到，MCU在啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有一個(gè)較大的電流脈沖產(chǎn)生，然后電流值趨于穩(wěn)定。場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通之后，所有模塊開(kāi)始工作，GSM開(kāi)始聯(lián)網(wǎng)，搜尋網(wǎng)絡(luò)、注冊(cè)SIM卡的電流值較大且不穩(wěn)定。

模塊均進(jìn)入正常工作之后，整個(gè)電路的電流值穩(wěn)定在65 mA左右，而出現(xiàn)第二次電流高峰，則是GSM模塊再次聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送載有測(cè)量數(shù)據(jù)的短信所致。之后電流值又回落到65 mA左右，MCU進(jìn)入掉電模式之后，電流瞬間回落，變?yōu)?。當(dāng)然并不是真的沒(méi)有電流，只是電流為微安級(jí)別，當(dāng)前的萬(wàn)能表測(cè)不出來(lái)，并且電流值也是先掉電到1 mA，再變?yōu)?。

計(jì)算中，4 821.5是對(duì)記錄的所有電流數(shù)據(jù)的和，相對(duì)應(yīng)的單位為mA，轉(zhuǎn)化成安培要除以1 000；而對(duì)應(yīng)的時(shí)間T為秒，即每個(gè)數(shù)據(jù)的間隔為1 s，所以要除以3 600轉(zhuǎn)化成小時(shí)。

很明顯采用掉電模式，整個(gè)電路的實(shí)際電能消耗非常低，當(dāng)前的電池容量在沒(méi)有太陽(yáng)能補(bǔ)充下也能正常工作至少1年。若有太陽(yáng)能補(bǔ)充，且電子電路不出現(xiàn)故障，可以有效工作3年以上。

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的陰極保護(hù)電壓表，為適應(yīng)惡劣環(huán)境以及低功耗要求，構(gòu)成非常簡(jiǎn)單。GSM模塊用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；Boost升壓模塊用于給GSM模塊供電；LM324構(gòu)建加法電路，使測(cè)量的所有電壓值均為正，單電源供電即可測(cè)得負(fù)電壓值；MCU自帶的AD模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用場(chǎng)效應(yīng)管控制其他模塊的負(fù)極端，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

看門狗模塊防止程序跑飛，掉電模式低能耗，掉電定時(shí)器及時(shí)喚醒MCU。將看門狗的時(shí)間與掉電定時(shí)器的時(shí)間聯(lián)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量，既實(shí)現(xiàn)了MCU的掉電節(jié)能，也實(shí)現(xiàn)了防程序跑偏，更達(dá)到了定時(shí)測(cè)量的目的，是一次全新的嘗試。

當(dāng)然定時(shí)測(cè)量有一定的限制性，掉電定時(shí)器的晶振誤差為5%較大，不能精確定時(shí)。如果對(duì)時(shí)間精度較高則該電壓表的適應(yīng)性就不強(qiáng)。

［1］胡士信.管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25（3）：93_101.

［2］劉洪權(quán)，鄭田田，郭倩穎，等.鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰研究進(jìn)展［J］.稀有金屬材料與工程，2012，9（4）：176_180.

［3］黃騰飛.埋地管道陰極保護(hù)電位參數(shù)及電位測(cè)試技術(shù)研究［D］.成都：西南石油學(xué)院，2004.

［4］張國(guó)雄.測(cè)控電路［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］賀冬梅，蔡麗娟，陳靈敏.幾種Boost電路的功率損耗分析與實(shí)驗(yàn)研究［J］.電力電子技術(shù)，2005，39（6）：70_71.

［6］胡屏，柏軍.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的看門狗技術(shù)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003，21（2）：205_208.

Deslgn of cathodlc Protectlon Voltmeter based on GSM

XU Tao，TIAN Peng，LIAO Jun_bi
（College of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Cathodic protection is the most common1y used method in pipe1ine corrosion protection techno1ogyj cathodic protection vo1tage is the key parameter of the techno1ogy to the cathodic protection vo1tmeter，GSM modu1e is used for data transmissionj STC15W4K32S4 chip is used for vo1tage measurement，circuit contro1 as MCUj 1ithium iron phosphate battery is the power，supp1y for MCU direct1y，and a1so for GSM modu1e after the vo1tage up to 5V through LT1370IR，so1ar pane1s supp1y the battery.Without measure，circuit wi11 be into power down mode，great1y saving the power，so it cou1d be wide1y app1ied to the desert，Gobi，jung1e.etc interpersona1 rare in oi1 and gas pipe1ine 1ine.

cathodic protectionj GSM modu1ej so1ar energyj power down mode

TN98

A

1674_6236（2016）10_0127_04

2015_07_28稿件編號(hào)：201507183

國(guó)家自然科學(xué)基金（61271329）；四川省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012GZ0094）

徐濤（1991—），男，山西古交人，碩士研究生。研究方向：自動(dòng)化測(cè)量與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。