唐子峻，陳俊江

（閩江學(xué)院 計算機與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108）

12kV電力設(shè)備被大范圍地應(yīng)用于發(fā)電廠、設(shè)備制造及輕工等各個行業(yè)中，其穩(wěn)定且安全的系統(tǒng)運行和工作狀態(tài)本身就是現(xiàn)代用電設(shè)備的重要技術(shù)保障。隨著使用年限的增加和材料老化情況的不斷惡化，其存在的電氣風(fēng)險問題。

電力開關(guān)柜所可能存在的突發(fā)性電氣事故風(fēng)險主要可以認為有兩個基本方面：其一，主要是對于電力開關(guān)柜本身的結(jié)構(gòu)造成風(fēng)險，比如：開關(guān)柜排線的絕緣老化、短路、過電壓等；其二，主要是對于電力設(shè)備和工作人員的造成風(fēng)險。因此對這些電力開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境進行實時的監(jiān)測和遠程監(jiān)測也是必不可少的。

本文采用傳感器技術(shù)完成對電力開關(guān)柜的數(shù)據(jù)收集，采用通訊技術(shù)完成對電力開關(guān)柜的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測工作。以上這些技術(shù)的采用，很好地解決電力開關(guān)柜的遠程監(jiān)測和監(jiān)測，即使工作人員不在現(xiàn)場，也能準確的得知電力開關(guān)柜的運行情況，實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，防患于未然[1]。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成框圖

開關(guān)柜的實時監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（圖1）可以大致劃分為主要的5個模塊：處理模塊、傳感器模塊、繼電器模塊、顯示模塊以及通信模塊。

1.2 實時時鐘介紹

1.2.1 實時時鐘寄存器RTC

圖1 電力開關(guān)柜實時傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和框架圖

圖2 RTC 框圖

設(shè)計利用STM32單片機的實時時鐘RTC定時器，實現(xiàn)時鐘日歷功能。該時鐘寄存器應(yīng)用連續(xù)技術(shù)，通過修改計數(shù)器的值，重新設(shè)置系統(tǒng)初始化時間。RTC模塊和時鐘配置系統(tǒng)（RCC_BDCR寄存器）是在后備區(qū)域，即在系統(tǒng)復(fù)位或從待機模式喚醒后RTC的設(shè)置和時間維持不變[10]。

RTC的簡化框圖，如圖2所示。RTC由三個主要部分構(gòu)成：APB1接口和APB1總線、RTC預(yù)分頻模塊以及一個32位可編程計數(shù)器，可通過APB1總線對寄存器進行讀寫操作[11]。若設(shè)置RTC預(yù)分頻模塊的相應(yīng)允許位，則RTC可在每個TR_CLK周期中產(chǎn)生一個秒中斷。32位可編程計數(shù)器可以設(shè)置成初始化時間，按秒鐘計算，可以記錄4294967296 s，約為136年。

1.2.2 實時時鐘程序

在RTC_Set（）函數(shù)中設(shè)置初始化日期與時間。系統(tǒng)啟動后，初始化RTC時鐘即RTC_Init（）函數(shù)，配置相關(guān)函數(shù)，使能秒中斷，監(jiān)測時鐘是否工作正常，在相應(yīng)的后備寄存器中寫入相關(guān)程序數(shù)據(jù)。初始化RTC時鐘后，開始設(shè)置時鐘，以1970年1月1日為基準，把之前設(shè)置的初始化的日期與時間轉(zhuǎn)換為秒鐘。利用RTC_Get（）函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，分別獲取年、月、日、星期、時、分、秒，最后將數(shù)據(jù)傳送至LCD液晶屏，利用LCD液晶屏顯示。程序系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 實時時鐘系統(tǒng)框圖

1.3 溫濕度及電流電壓監(jiān)測模塊

1.3.1 溫濕度監(jiān)測模塊

首先是單片機判斷該設(shè)備是否存在，單片機會發(fā)送一個信號，拉低數(shù)據(jù)線電位保持18 ms左右，然后再拉高數(shù)據(jù)線電位保持20 μs左右，然后繼續(xù)拉低數(shù)據(jù)線電位保持40 μs左右，最后返回一個響應(yīng)信號給單片機（圖4）。

確認硬件設(shè)備正常后開始進行設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸（圖5），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以作為一個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包里面包含40個位的溫濕度信號，濕度的整數(shù)小數(shù)各8（bit）、溫度的整數(shù)小數(shù)各8（bit）以及8（bit）的數(shù)據(jù)校驗位[11]。

1.3.2 電流電壓監(jiān)測模塊

圖4 溫濕度傳感器程序流程圖

圖5 溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送信號流程圖

電壓傳感器和電流傳感器均采用單線杜邦線連接單片機引腳接口，單片機通過引腳將引腳的模擬量轉(zhuǎn)化為引腳的數(shù)字量進行計算得出ADC的數(shù)值（圖6）。

圖6 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

單片機端口電壓：ADC值×(3.3/4096)

由于電壓傳感器監(jiān)測的電壓值是實際測量電壓值的五分之一，所以實際電壓值為端口測量電壓值的5倍。

電壓傳感器的電壓值計算公式：

ADC值×(3.3/4096)×5 V

電流傳感器的電壓值計算公式：

當電流傳感器沒有監(jiān)測到電流通過時，電壓值為設(shè)備供電電壓的1/2，分辨率為185 mA/V。

即：[ADC值×(3.3/4096)-VCC/2]/0.185 A

1.3.3 實時性和滯后性分析

實時性：溫濕度實時監(jiān)測從而控制散熱器、除濕器工作，防止開關(guān)柜器件長期處于高溫潮濕環(huán)境下工作。電流電壓實時監(jiān)測從而得知內(nèi)部線路是否正常連接，為線路漏電做預(yù)防。

滯后性：當開關(guān)柜長期處于高溫、潮濕環(huán)境，會加速器件的老化，從而引發(fā)事故的發(fā)生。當開關(guān)柜發(fā)生漏電情況未能及時地發(fā)現(xiàn)，會引發(fā)電氣爆炸等安全事故問題。

1.4 LCD顯示模塊

LCD液晶顯示器的軟件設(shè)計方面主要包含了初始化LCD顯示器、設(shè)置X、Y坐標、清除存儲空間內(nèi)的LCD數(shù)據(jù)以及將寫入數(shù)據(jù)到LCD顯示器的存儲空間這4個主要步驟的操作過程（圖7）。

圖7 顯示屏模塊流程圖

1.5 除濕模塊

除濕模塊利用5 V的繼電器作為開關(guān)，除濕器負端接繼電器常開觸頭，繼電器信號口接STM32單片機信號I/O口（PA3），進而實現(xiàn)控制除濕器啟動關(guān)斷的目的，5 mm的除濕器由變壓器220 V轉(zhuǎn)12 V的開關(guān)電源提供電。

當濕度大于等于80%時，將SMT32單片機信號I/O口（PA3）置1，（PA8）置0，閉合繼電器的常開觸頭，接通除濕模塊，LED0燈點亮；當濕度小于80%時，將信號I/O口置0，斷開繼電器的常開觸頭，斷開除濕模塊，LED0燈滅。

1.6 散熱模塊

散熱模塊利用5 V的繼電器作為開關(guān)，散熱風(fēng)扇負端接繼電器常開觸頭，繼電器信號口接STM32單片機信號I/O口（PA4），進而實現(xiàn)控制散熱風(fēng)扇啟動關(guān)斷的目的，散熱風(fēng)扇由變壓器220 V轉(zhuǎn)12 V開關(guān)電源提供電。

當溫度大于23 ℃，將STM32單片機信號I/O口（PA4）置1，（PD2）置0，閉合繼電器的常開觸頭，接通散熱模塊，LED1燈點亮；當溫度小于23 ℃時，將信號I/O口置0，斷開繼電器的常開觸頭，斷開散熱模塊，LED1燈滅。

1.7 數(shù)據(jù)傳輸

單片機通I/O口PA9、PA10接USB-232數(shù)據(jù)線連接電腦。單片機通過CS（）函數(shù)向PC端發(fā)送一串16進制的實時電氣變量：溫度、濕度、電壓、電流。CS（）函數(shù)如下，在CS（）函數(shù)中利用if語句控制單片機傳送數(shù)據(jù)的時間，利用printf語句發(fā)送實時數(shù)據(jù)，在main函數(shù)中循環(huán)該函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。 而XCOM V2.0通過監(jiān)測串口將數(shù)據(jù)顯示在主界面上，圖8上位機顯示界面。

圖8 上位機顯示界面

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 硬件電路的調(diào)試和結(jié)果分析

調(diào)試硬件電路的2個步驟主要分別表現(xiàn)為：靜態(tài)硬件調(diào)試和通電硬件調(diào)試。

2.1.1 靜態(tài)硬件調(diào)試

單片機靜態(tài)的硬件調(diào)試主要包括對單片機電源設(shè)備的檢查、溫濕度傳感器設(shè)備檢查、電流傳感器和電壓傳感器的設(shè)備檢查、繼電器的設(shè)備檢查。

⑴ 單片機電源的設(shè)備檢查：先把所有的用電設(shè)備從電路板上全部拔下來，然后給單片機電路板上5 V供電電源，最后按照接下來的順序用萬用表檢查所有的電源入口電壓的電壓情況和出口電壓的電壓情況。

⑵ 溫濕度傳感器的設(shè)備檢查：先檢查確保溫濕度傳感器沒有出現(xiàn)任何的損壞，檢查供電電源線路是否正常，再根據(jù)線路連接直流電源和地線，最后連接上單片機的數(shù)據(jù)線。

⑶ 電流傳感器和電壓傳感器的檢查：先確保電流傳感器和電壓傳感器硬件正常，然后檢查供電電源，分別連接電源和地線，然后接上單片機。電流傳感器和被測設(shè)備進行串聯(lián)連接，電壓傳感器和被測設(shè)備進行并聯(lián)連接。

⑷ 繼電器的設(shè)備檢查：先確保繼電器的供電電源是否正常，接地端必須與單片機同時接地，最后將開關(guān)的控制線連接單片機的控制引腳端口。而開關(guān)部分先將繼電器常開端口和公共端口與控制電路進行串聯(lián)，使其能開關(guān)部分能夠正常地進行控制散熱器和除濕器的自動開啟和自動關(guān)閉。

2.1.2 通電硬件調(diào)試

所謂的通電硬件調(diào)試就是指在一臺單片機完成系統(tǒng)上電后，需要確認單片機系統(tǒng)的每一個模塊和處理器等設(shè)備是否能夠正常工作，故要進行測試。首先是的單片機通過內(nèi)部時鐘計算出星期、年月日、實時時間并在LCD顯示器上進行數(shù)據(jù)顯示；其次是通過溫濕度傳感器設(shè)備、電流傳感器設(shè)備、電壓傳感器設(shè)備的端口進行狀態(tài)的監(jiān)測；然后在LCD顯示器上更新顯示設(shè)備的運行狀態(tài)；最后加熱環(huán)境測試到達一定的閾值以此來判斷控制散熱器的繼電器和指示燈是否正常工作，加濕環(huán)境測試到達一定的閾值以此來判斷控制除濕器的繼電器和指示燈是否正常工作。

表1 傳感器數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)對比表

2.2 軟件調(diào)試

使用單片機軟件進行斷點調(diào)試，使得各個功能模塊完成單獨的調(diào)試并且成功后，再將這些各個功能模塊都進行整合，進行一個總體的單片機功能系統(tǒng)調(diào)試。

單片機系統(tǒng)軟件的調(diào)試過程主要是通過以下步驟來實現(xiàn)的：

⑴ 編寫各個功能模塊程序，對各個模塊分別進行斷點調(diào)試。

⑵ 將前面編寫的程序集合到一個主程序里面進行聯(lián)合調(diào)試。

本次使用的調(diào)試軟件是KEIL，首先在KEIL軟件編寫溫濕度及電流電壓實時監(jiān)測系統(tǒng)的主程序和子程序，主程序經(jīng)過匯編后產(chǎn)生.Hex的格式文件，然后將生成的文件通過數(shù)據(jù)線燒寫到單片機中進行硬件的調(diào)試。

3 誤差分析

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器傳回數(shù)據(jù)與實際溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)對比，其數(shù)值相差在1左右。

根據(jù)電流傳感器和電壓傳感器傳回的數(shù)據(jù)，由于精確到小數(shù)點后3位，隨著時間變化，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較小的波動，與萬用表數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)進行對比。數(shù)據(jù)對比見表1。

4 總結(jié)

在查閱相關(guān)的開關(guān)柜資料，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外對電力開關(guān)柜的電氣量的監(jiān)測是十分重視的。本次課題的設(shè)計是制作開關(guān)柜模型，以及基于STM32單片機進行實時的電氣量的監(jiān)測，在其中利用到了GPIO以及延遲函數(shù)的使用方法，再到電流電壓的端口電壓的監(jiān)測從ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換的相關(guān)參數(shù)的配置，以及根據(jù)溫濕度傳感器時序圖來接收數(shù)據(jù)。測量得出實際結(jié)果與測量結(jié)果偏差不大，程序運行成功。