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0.1 μF 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，
图2 控制系统电路
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。
图3 电源电路
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。
图4 SF6传感器电路
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。
图5 SHT30电路
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。
图6 人体红外感应模块电路
图7 语音模块
3 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。
4 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。
