高低压变电柜异常环境监控设备设计

孙晓磊

（中国人民大学，北京100872）

随着社会的发展以及人类社会的进步，用电量每年都在成几何数字增长。这也使供电设备以及高低压变电柜数量急剧增加，由于在某些地区工作环境恶劣，高低压变电柜发生火灾的概率极高。因此在封闭空间内安置一个可以检测内部工作环境，并作出相应处理反应的封闭安全系统就有了巨大的价值，并且相关产品在市面上并没有出现，商业潜力巨大，对于公共财产的保护以及人身安全的保障都有十分重要的意义。

1 研究意义

为了防止高低压变电柜内部发生火灾的这一情况，需要一种能监测变电柜内部工作环境状况，并在遇到险情能做出及时反映的设备来应对，从而降低火情的发生概率，减少灾害损失。

封闭空间安全系统主要目的就是在复杂工作情况下对于工作环境的温度因素进行监测，当环境温度超过预定安全温度时就会联动报警装置，并且启动灭火器进行内部的一级联动灭火。由于高低压变电柜内部都是胶质电缆电线，在有明火时会产生大量的浓烟，利用烟雾传感器进行辅助监测内部工作状态，即当检测到内部有烟雾时，也启动灭火器进行内部灭火，达到降低火情，减少灾害损失的目的。

2 封闭空间安全系统研究的现状

由于高低压变电柜工作环境常常被人们忽略，现在在市面上并没有一款可以实际应用的变电柜安全系统的存在，在参考了实际项目中的相关应用以及结合了现有理论的基础之后，涉及到封闭空间安全系统的研究主要集中在如何测量温度参数，烟雾浓度参数方面上。对于烟雾浓度的测量可以采取烟雾传感器直接测量，现在市面上大多的烟雾传感器精度非常高，适用于在复杂环境中的烟雾测量。而当前工业测量温度的方式主要有两种：接触式测量和非接触测量，本设计采用非接触式TP100传感器。

3 设计原理

3.1 电源设计

电源设计是一个系统设计最关键的部分，对于整个系统而言，一个良好稳定的电源以及合理的电源管理是非常重要的，在电路中使用的电压有以下几种：CPU 内部数字电路电压1.8V,灭火器工作电压24V, STC15 芯片工作电压和外部器件的工作电压5V。

3.2 仪表放大电路原理

仪表放大电路是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益电路，仪表放大器结构使它具有低线性误差、高共模抑制比、低噪声、高输入阻抗、低失调漂移增益并且设置灵活和使用方便的特点。在数据采集、高速信号调节、传感器信号放大、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。

仪表放大电路的特点是:a. 仪表放大器具有很高共模抑制比，CMRR 的典型值为70～100 dB 以上。b.高输入阻抗：仪表放大电路必须具有相当高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端阻抗都需要很高而且相互平衡，其典型值为10^9～10^12Ω。c.低线性误差：输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。d.低失调电压/失调电压漂移：仪表放大器失调漂移是由输入和输出两部分组成的，输入和输出失调电压的典型值分别为100μV 和2 mV。e.充裕带宽:仪表放大器为特定应用提供了良好的带宽，典型的单位增益小信号带宽在500K 赫兹～4M赫兹之间。

3.3 三级管开关控制原理

三极管的种类非常多，并且不同的型号会各有不同的用途。现在市面上的三极管大都是塑料封装或者金属封装，常见三极管是NPN 型三极管或者是PNP 型三极管。三极管工作在三种不同的模式：线性放大模式、截止模式及饱和模式。当三极管作为控制开关时，导通时工作在饱和的模式下，而断开时工作的截止的模式下。利用对于三极管基极的控制，来控制三极管的导通和截止状态，达到开启或关闭灭火器的目的。

3.4 最终设计方案

使用STC15F2K60S2 微处理器作为主控芯片，使用三极管8050 控制灭火器开关，使用稳压直流电源为电路提供24V 的电压，完成本系统的设计。本系统中将设置两路温度传感器配合温度的检测，一路烟雾探测器进行烟雾的探测，另一路剩余电流量的检测。在两条温度探测电路中，开始进入时的检测电压较小，单片机无法直接检测其数值大小，所以经过了仪表放大电路进行电压范围放大，使其可以达到模数转换要求。烟雾探测器使用的开关量，在有烟雾报警时，将会导通光耦开关，在光耦接收器端进行断开闭合检测。

4 可行性分析

4.1 技术可行性

本设计主要是在硬件相关的实现，使用宏晶STC15F2K60S2型MCU 作为主控芯片，该芯片工作电压为5.5V-4.2V，拥有大容量SRAM (此芯片有2K)，以及60K BYTE 的FLASH,2 个串行口，10 位AD,3 个定时器，3 通道外部中断。

4.2 经济可行性

宏晶STC15F2K60S2 型MCU LQFP44 价格在4.4 元人民币左右，且在工业复杂环境下工作稳定，适合大批量生产。其他元件的价格相对较低，同样适用于大批量生产。

4.3 操作可行性

图1 仪表放大电路

本设计是基于硬件的系统调试，只需要搭建好相应的硬件电路，即可完成相应的基本设计，同时需要编写相应的驱动程序，使电路工作正常，由于外界不需要太多的辅助仪器，且工作相对独立，不需要人为干预，操作可行性强。本设计在系统上分为六个部分：LED 状态显示模块，LM2575 电源管理模块，TP100测温电阻检测模块，烟雾传感器检测模块，灭火器控制模块，数据传输模块。在TP100 测温检测模块中，使用了仪表放大电路对小电压进行两级放大，在将放大的电压转送至MCU 进行AD转换，得到的数据在经过查表的方式算出实际的温度，并根据温度值，判断当前的工作状态，如果超出了设定的温度值将会触发报警装置，打开灭火器进行灭火。

5 模块化电路设计

5.1 LED 状态显示模块

LED 发光二极管是半导体二极管其中的一种，它可以将电能转化成为光能。LED 发光二极管与普通二极管同样是由一个PN 结组成的，也就是说有单向导通性。当给二极管加上正向电压后，从P 区注入到N 区的空穴的电子以及由N 区注入到P 区的电子，N 区的电子和P 区的电子在空穴复合，产生自发辐射的亮荧光。同氖灯和白炽灯泡相比，发光二极管它的特点是：工作电压极低；抗震性和抗冲击能好、寿命长、可靠性高；工作电流非常小；通过控制通过的电流的强弱可以方便地控制发光的强弱。

5.2 LM2576 电源管理模块

LM2576 电源管理模块使用的是固定输出5V 电压的LM2576-5 型稳压开关模块，具有输出电压稳定、外部需要的器件少、供电电流足的优点。这一系列的稳压器是单片的集成电路元件，它可以提供降压开关稳压器的各种相应的功能，并且有着优异的线性和负载调整能力。LM2576 的内部有频率补偿器以及固定频率振荡器，它可以将外部元件数目减少到最少，使用非常简便。LM2576 的特征包括在指定输入电压和输出负载条件下可以保证输出电压的±4%误差，振荡器频率±10%的误差。同时，LM2576 还包括外部的关断电路，以及50uA 的待机电流等。在本电路中外部输入电压从24V 电压转换为5V 的电压，为STC15 单片机提供工作电源。

5.3 TP100 测温电阻检测模块

TP100 测温电阻测温模块采取了仪表放大电路实现了将小电压放大10 倍之后得到单片机可以检测到良好的大宽度电压。本电路中共有两组温度检测电路，测温电路的输出值接在了输入端子上，得到的放大电压输入到单片机之后使用内部的AD转换电路实现数模转换，将电压值转换为相应的数值，并通过查表法得到相应的电压值，从而测出实际电压。如图1，在放大电路中使用了四路运算放大器LM324 来进行两级电压放大，LM324 内部有四路独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可以单电源接入，也可以使用双电源接入。根据仪表放大电路放大倍数的结论，当电阻R21=R22，R16=R17，R12=R13 时，A(放大倍数)=-R21/R16*(1+2*(R12/R1))。即在这个电路中从输入端到输出端电压大于放大了20 倍左右。仪表放大电路的输入端接入的是一个惠斯通电桥，惠斯通电桥（单臂电桥）是一种可以用来精确测量电阻的电路。从原理上看，惠斯通电桥更加精准，它避开了电源随着时间变化所造成的误差。同时，惠斯通电桥还避开了电压分流，电流分压以及过多导线分压的弊端，因为对需要电压不敏感，所以即使很低的输入电压仍旧可以精确测量出阻值的变化，功耗极低。由于TP100 的阻值在温度变化时是线性的，所以只需要知道阻值大小即可得到相应的温度，利用惠斯通电桥，可精确且方便的得出TP100 当前的阻值大小。

5.4 灭火器控制模块

灭火器控制模块使用的是一个光耦以及一个三极管组成的组合电路控制灭火器的开关。光耦是以光作为媒介传输电信号，目前是用途非常广泛的器件之一。当内部的发光二极管导通时，被光探测器接收到，产生了光电流，从输出端流出从而实现了“电- 光- 电”的转换。它具有抗干扰极强、没有触点、输出和输入之前隔离、体积小、寿命长的特点。在设计电路中使用光耦使三极管的开闭不会对其他电路产生电泳影响，提高了电路的稳定性。

当检测到环境温度超过预订值或者检测到烟感信号时，控制引脚输出低电平，经过反相器之后，输入到光耦的输入端为高电平，光耦导通。此时在三极管的基极就有了导通电流，三极管集电极与发射极导通，打开灭火器控制开关，实现灭火器灭火的动作。

由于在某些情况下可能出现电路损坏现象，为了应对这种情况的出现，采取了使用按键直接开启灭火器的方式解决。

5.5 烟雾传感器模块

烟雾传感器的原理是火灾场所发生的烟雾进入到监测电离室时，在电离室中的检测源镅241 放射的α 射线，这使电离室内空气分离成正负离子。当烟雾进入时，由于内外电离室因极性相反，所产生离子电流的保持相对稳定，这时候处于平衡状态；火灾发生初期释放气溶胶亚微粒子及可见烟雾大量进入检测电离室时，它们吸附并中和正负离子，使电离电流会急剧减少，改变电离平衡状态从而输出检测电信号，经后级电路处理识别之后，发出报警，并向配套监控系统输出报警开关信号。

由于现在市面上已经有非常成熟的烟雾传感器模块，这里选择BRJ-301L 型烟雾传感器。它是独立型烟雾报警器，静态电流小于10uA,工作电流小于30mA,工作时间大于1 年。这种烟雾报警器，可以通过地址编码实现全网连接，非常适用于在封闭空间中对于烟雾的检测。我们基于烟雾报警器在常闭的状态下设计了烟雾传感器的相关电路。由于烟雾报警器的电路是工作在24V 的电压下，而STC 15 单片机检测信号是5V,为了能使烟雾传感器在感知到有烟雾时，做出闭合动作，采取了使用光耦隔离的方式。

5.6 程序设计结果

由于STC15 单片机运行速度较快，循环检测一次的时间小于0.1 秒，完全可以用来温度变化量相对较慢的测量参数。对于烟感参数的测量，由于烟感对于时间要求不高，同样适用，STC15 单片机反应速度可以达到预期要求。在出现报警事件时，系统非常快的做出了报警动作，开启了灭火器进行灭火。

6 结论

在本设计中主要实现了在较为恶劣的封闭空间中温度和烟感等参数的测量。当环境温度较高时或者在空间中有烟雾时，使用微处理器判断当前环境是否发生了火灾险情等。若判断当前环境中出现了火灾时，微处理器将会打开灭火器，进行灭火操作，防止火灾的进一步蔓延，减少灾害损失。

同时，在本设计中使用了惠斯通电桥。在高精度测量电阻的阻值时，使用惠斯通电桥可以通过电压或者电流的变化侧面对应出阻值的变化。惠斯通电桥由于是测量两组桥臂的电压或者电流差，所以它避开因为电源变化引起的误差。惠斯通电桥还避开了电压分流，电流分压的局限，能用较小的电压测量出电阻的变化。

为了降低功耗，测量TP100 电阻的输入电压设置为2.5V，桥臂电阻为1K 欧姆，使得在惠斯通电桥的输出端的电压非常低。因此在设计中使用了仪表放大电路来进行电压的伏值放大。

在仪表放大电路的硬件设计中，使用了LM324 四路运算放大器来实现。LM324 内部有四路独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可以单电源接入，也可以使用双电源接入，使用起来相当的简单方便。在惠斯通电桥的输出电压范围大约0～0.25V 左右，经过放大电路放大大约20 倍，将电压范围扩至0～4.5V，再利用单片机内部的ADC 转换电路进行数模转换，完成了将模拟量转换为数字量的过程，得到了相对应的温度值。在控制灭火器开关的方面，舍弃了使用继电器的方式，转而使用三极管控制灭火器的开关。原因是三极管相对于继电器来讲，价格低廉、寿命长、导通时间短。同时，由于在电路正常工作时，三极管处于断开状态，不会对功耗有较大的影响，相比继电器更加适用于作为导通开关的应用。为了防止三极管导通对其他电路的影响，在电路设计时还是用了光耦进行光电隔离，使整个电路工作更加稳定。本设计主要解决了在封闭条件下火灾险情的检测问题，且本系统工作独立，可以不再人为的干预下实现对温度、烟雾的检测，并自行判断是否发生了险情。放置在工作环境恶劣的封闭空间中，可以大大降低险情的发生概率，减少灾害损失。