P PAGE I绪论1．变压器防火报警器的发展及现状现如今世界，不管是发达国家还是发展中国家，都会不同程度受到要确保变压器安全的困扰。今年夏天，全国先后有19个城市拉闸限电。在国外，美国8月14日的停电事件导致10万多人陷入黑暗，一天停电损失高达300亿美元。随后，英国伦敦也发生了大面积停电事件，数万人受到影响。持续不断的停电事件既影响了人们的日常生活也降低了人们的生活质量。变压器故障通常是伴随着电弧和放电以及剧烈燃烧而产生，随后电力设备即发生短路或其他故障，轻则机器停止运行，照明设备熄灭，重则引发火灾造成人员伤亡。因此确保变压器安全稳定运行受到了全世界的广泛关注。这几年来，在国外，变压器防火控制系统已经被开发，作用于火灾报警器当中。刚开始的时候，防火控制系统不但价格比较高，而且还必须连接着布线，但却只适合比较特殊的地方，用来检测设备的一部分。现如今，几乎所有的电气装置，可以通过遥控改变，并大范围的应用到各种建筑和场所。美国松柏公司（ITI）是美国最大的报警系统的制造商，其中90％的报警器在北美的年销售额已接近一亿美元。该公司生产的变压器防火控制系统还通过了中国的“国家消防电子产品质量监督检验测试中心”的监测，该系统可作为一个高科技的安全系统。

变压器防火控制系统在中国相对较晚，与发达国家相比，二十世纪七十年代末的十年间，我们国家也开始生产变压器防火控制系统。二十世纪八十年代后，国内各大厂商也大多是模仿国外的产品，或引进国外的生产技术，中国并没有真正意义上属于自己的研究技术。20世纪90年代期间，外国公司开始进入中国的消防市场，带来了先进的技术。在这期间，我国生产的有关变压器防火控制产品的企业也得到了很好的发展。常见变压器防火原因常用的变压器有干式变压器、油浸式变压器、电力变压器、三相式变压器等等。不管是哪种变压器都是需要运行在温湿度合适的环境下，变压器温度过高容易爆炸，变压器如果长期受潮但是又不及时处理的话就会导致变压器的绝缘能力急剧降低，引起匝间短路、线圈烧毁等严重后果。火灾危险性较大的是国内目前常用的油浸变压器。变压器主要的防火原因如下：（1）变压器长期过载引起线圈发热，加速绝缘老化，造成匝间短路、相间短路或对地短路，导致变压器着火或爆炸。一旦内部发生严重过载、短路，绝缘油和绝缘材料就会受高温或电弧作用分解、膨胀以致气化，使变压器内部的压力急骤增加，重则造成大量喷油，外壳爆炸。（2）导线接触不良引起的变压器火灾。变压器线圈接头由于焊点不牢、虚焊，焊点两端不牢引起的火灾事故。

（3）雷击过电压引起变压器火灾。（4）负载短路引起变压器火灾。（5）接地不良引起的变压器火灾。（6）动用明火检修变压器时，没有做好防火措施引起变压器火灾。3. 预防对策：安装监测装置对温湿度，烟雾，火焰进行实时监测。变压器在检修、运行中防止水、杂质、检修工具进入器身；防止损坏变压器线圈。要加强对变压器的检修工作，发现隐患及时处理。防止变压器运行中超温，温度保持在85摄氏度——90摄氏度。经常检查套管、清洁套管；经常检查分接开关是否接触良好。大型变压器要有油水分离设施，并符合安全生产规定要求。要确保变压器事故放油储油坑清洁畅通。变压器短路保护要确保良好状态。要有良好接地保护措施。应定期对运行中变压器油进行色谱分析，发现异常及时采取措施，消除隐患。本文共分四部分对研究内容进行介绍，结构安排如下：第一部分为绪论和总体方案设计，主要介绍了课题研究的意义、背景、研究现状、和系统总体设计等内容；第二部分主要介绍了系统硬件设计，包括硬件环境介绍、硬件结构设计、硬件模块选择和硬件详细设计内容；第三部分主要介绍了系统软件设计，包括软件环境介绍、软件总体设计、软件功能模块详细设计内容；第四部分是系统调试，主要是对信息采集单元能否按照预期目标工作进行测试，包括对数据算法的准确性、显示界面、参数设置以及各传感器模块灵敏度等进行测试。

1需求分析1.1 系统总体设计变压器防火控制系统，主要检测温湿度，烟雾浓度和火焰的检测，再通过单片机控制相应的报警和驱动负载。通过LCD模块显示当前的温湿度值，烟雾浓度值和火焰值。通过无线通讯实现上位机（即手机）与下位机（即STM32单片机）的通信。它以单片机作为控制器，通过单片机、烟雾传感模块、火焰检测模块、温湿度检测模块，无线通讯模块，报警模块，执行模拟模块等硬件系统和软件系统来设定要求程序。通过实现变压器环境信息监测和异常报警来达到预防火灾和减少火灾危害，保护人身、财产安全的目的。 图1.1 总体结构图本次所设计系统的总框图，从框图中可以看出，本次设计由多个部分构成，单片机是能够运行的最简单的硬件电路，其它部分都是在这个基础上添加的。手动控制按下主机开启按钮，液晶显示模块用来显示系统的温湿度，烟雾浓度，火焰的数据。温湿度传感器模块，烟雾传感模块，火焰传感模块为测量系统数据的传感器，在传感器所处环境中可以测量出系统的温度，湿度，烟雾，火焰值。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该温度以及湿度相对应的输出信号。通过无线传输控制的阈值的设定，烟雾超出阈值驱动消防排烟风扇，温湿度超过预定值采用电机模拟降温机构和排湿机构处理，火焰传感器超过设定值则可以报警。

无线通信模块用来输入阈值，同时调节设定温度的上下限。报警模块为声光报警，即通过LED发光二极管的闪烁和蜂鸣器的鸣响进行报警。1.2 硬件方案设计变压器防火控制系统需依靠温湿度传感器采集温湿度信息，烟雾传感器采集烟雾浓度信息，火焰传感器采集火焰数据，并通过控制设备对驱动电路进行控制，使其驱动执行机构对系统的温湿度，烟雾浓度，火焰大小进行调节控制，从而提高系统安全性。系统可分为检测、控制、辅助、执行和按键调节模块五大部分，这五个部分共同完成整个控制系统的正常运行。检测单元包括温湿度，烟雾浓度，火焰大小，传感器采集电路包括温湿度传感器，烟雾传感器，火焰传感器，并将采集到的数据送给控制单元STM32单片机。控制单元主要是单片机处理控制信号，使执行单元工作。执行单元包括在本控制系统中，手动控制按下主机开启按钮，若温湿度传感器检测到的温湿度超出设定的阈值范围则控制电机执行模拟机构，若烟雾传感器检测烟雾超出阈值范围则驱动消防排烟风扇机构，火焰传感器超过设定值则可以报警。辅助单元包括显示电路、报警电路。其中，显示电路完成对温度、湿度，烟雾，火焰等进行显示。例如：温度，湿度，烟雾，火焰值调节过程中，为了能够实现节能的效果，当温度或湿度异常时将对应的值调节到最高值的均值。

当温度，湿度，烟雾，火焰值异常时，温度，湿度，烟雾，火焰值调控器件工作，将温度，湿度，烟雾，火焰值调至正常值。若没有持续调节至均值（最适温度，湿度，烟雾，火焰值）将会导致温度，湿度，烟雾，火焰值调节器件频繁的开启与关闭，易导致调控器件的损坏。报警功能设计模块中，当温度，湿度，烟雾，火焰值等异常时根据不同的情况由蜂鸣器发出不同频率的鸣叫，同时显示屏显示相应的温湿度，烟雾浓度，火焰大小信息及调节器件工作状态。按键调节模块包括主要是能够实现不同环境需求的温湿度，烟雾浓度，火焰大小范围设置。1.3 软件方案设计软件编程采用单片机C语言。C语言能以简易的方式 编译、处理低级 存储器。是仅产生少量的 机器语言以及不需要任何运行环境支持便能运行的高效率程序设计语言。C语言描述问题比汇编语言迅速、工作量小、可读性好、易于 调试、修改和移植，而 代码质量与 汇编语言相当。在大学本科阶段，所学到的编程语言以C语言为主，所以本设计采用C语言编程。 2 硬件部分设计根据本次变压器防火控制系统整体结构设计框图，设计能够完成任务的硬件电路，将硬件电路划分为各个模块，该设计系统的硬件电路模块设计采用STM32单片机为控制中心，支撑STM32单片机工作的最小系统包括晶振电路、复位电路和电源电路，由于STM32芯片的封装形式为贴片式，为了节约成本，选择购买印刷电路板和焊接完成的单片机最小系统电路板。

综合考虑本次设计系统采用元器件及设备的工作电压、该系统元器件及设备使用的最大电压，故本系统易于采用12V电压作为电源输入电压；根据STM32单片机、液晶模块及传感器等元器件的工作电压，需要设计5V电压和3.3V电压的降压电路设计。采用的温湿度，烟雾浓度，火焰传感为数字型传感器，控制和输出为数字量，可由单片机直接读取温湿度，烟雾浓度，火焰数据；采用液晶显示模块显示系统信息和人机界面，选择适合本系统显示和控制的液晶显示模块，并根据液晶显示模块的驱动方式，设计与单片机的接口电路；变压器防火系统的报警模块为蜂鸣器，由蜂鸣器工作产生声音报警；由于单片机的驱动能力非常有限，需要设计蜂鸣器驱动电路；由于STM32单片机是运算和控制器件，电流驱动能力较弱，不能直接的控制电磁继电器吸合，需要设计电磁继电器驱动电路，单片机间接控制电磁继电器工作。该变压器防火控制系统采用通过无线传输控制电磁阀进行电机动作或自动控制烟雾、火焰、温湿度数值超过设定的最低下限进行电机动作和风扇启动。本次基于单片机的系统硬件电路有单片机晶振电路、复位电路、电源电路、传感器模块接口电路、降压电路、液晶模块接口电路、电磁继电器驱动电路、蜂鸣器驱动电路、微动开关、按键接口电路、时钟模块电路以及存储芯片电路。

2.1 单片机最小系统电路设计变压器防火监控根据前面得到的硬件具体规划，下面就对各个模块进行介绍。包括核心处理器、传感器模块、液晶显示模块等等，下面将对各个子模块进行介绍。2.1.1 单片机的选型及其特点系列被意法半导体集团所设计，使用高性能的-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN[1]。STM32的高性能 -M3内核为1./MHz；包含一流外设: 1us双通道12位模数转换器、4兆位/秒通用异步收发器、18兆位/秒无线通讯接口、18MHZ输入/输出翻转速度；在72MHz时消耗36mA，待机时下降的2uA。核心：ARM 32位-M3CPU，最高工作频率为72 MHz和1.25 MHz。内存：集成32-512kb闪存芯片，6-64KB的SRAM内存。

时钟、复位及电源管理：2.0-3.6v电源及I/O接口驱动电压。POR，PDR和可编程电压检测器(PVD)；晶体振荡4-16mhz；内置8MHz RC振荡器电路调整前交付；内部40 kHz RC振荡器电路；锁相环用于CPU时钟；带RTC校准的32kHz晶体振荡器。低功耗：3种低功耗模式：休眠模式、停止模式和待机模式。用于RTC和备份寄存器的VBAT。 DMA：12通道DMA控制器。支持外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。 12位us-level A / D转换器（16通道）：A / D测量范围：0-3.6 v。双重采样和保留功能。温湿度传感器集成在芯片上。 通道12位D / A转换器：，，独特。 具有多达112个快速I / O端口：26，37，51，80和112个I / O端口，具体取决于型号。MCU上的所有端口都可以映射到16个外部中断向量。除模拟输入外，所有输入均可接受低于5V的输入。 图2.1 引脚结构图2.1.2 单片机最小系统电路设计变压器防火控制系统的最小系统是指由单片机和复位、电源、时钟等部件所构成，可以让单片机一直处于正常的运行状态。

为了能让单片机能正常运行，复位、电源、时钟电路是必不可少的，可以用最小系统当作应用系统的核心部分，通过对存储器和A/D的扩展，可以使单片机实现较复杂的功能。变压器防火控制系统当使用芯片制成最小应用系统的时候，需要在单片机上接上复位电路和时钟电路。是内带ROM/EPROM的单片机，所以由这种芯片制作而成的最小系统非常的简单，而且实用[2]。（1）时钟电路。芯片的时钟信号通常有外部时钟方式和内部时钟方式两种方式在单片机的里面有振荡电路，之所以单片机的内部会发出时钟脉冲信号，是因为单片机的18号引脚和19号引脚都接上了石英晶体(又称为晶振)，从而组成了自激振荡器。如图2.2所示，C4和C5电容起到快速起振和稳定频率的作用（典型值为30pF，电容值在5pF～30pF）。晶振Z1的振荡频率范围一般在1.2MHz～12MHz内，典型值为6MHz和12MHz。内部时钟方式如下图2.2所示。 图2.2 内部时钟电路（2）复位电路。当在芯片的RST引脚流进高电平，并保持两个机器周期的时候，其内部就会运行复位操作，如果引脚一直保持在高电平，那么单片机就会处于循环复位状态。

复位电路工作就是确定单片机的完整的微控制器启动时的初始状态。在单片机产生复位信号电源后，确定完成了单芯片微控制器开始工作条件，以确定初始状态。在运行外部环境干扰单片机系统的运行发生失控的时候，按程序中的复位按钮就会自动重新启动。（3）主控芯片的复位电路和后备电源电路。当系统上电时，电容C1充电，此时RESET为0电位，芯片复位，C1充满电后，电路相当于断路，RESET为高电平，进入工作状态。当按键KP1按下时，RESET接地，使RESET为0电位，产生复位，一般低电平持续20us之后，可实现有效复位。后备电池BAT1通过二极管D2连接到主控芯片的VBAT脚，实现系统“掉电不掉时”的功能，的复位电路如图2.3所示。 图2.3 复位电路2.2 稳压模块设计变压器防火控制系统的稳压模块分为两个部分——USB接口电路及后级稳压电路；USB接口电路分为两个作用——USB供电、代码下载（电阻TEST1、TEST就是起到跳线选择的目的）。后级稳压电路将USB提供的+5V电压降至+3.3V为整个系统供电（这里选择原因有三：一，其封装相比拥有更小的尺寸以减小PCB的尺寸，二，整个系统的两大核心芯片（单片机，模块）都是超低功耗的理念设计故不需要搭载大功率的稳压片，三，贴片相比其他3.3V输出的稳压芯片拥有更高的转换效率）。

引脚图如图2.4所示。图2.4 引脚图系统模块实现过程：的内部含有一个用于构成片内振荡器的高增益反向放大器，引脚C7和C8分别作为这个放大器的输入端和输出端。这个放大器和作为反馈元件的片外石英晶体能够构成一个自激振荡器。2.3 显示模块设计变压器防火控制系统的液晶显示器采用液晶，它是字符型液晶模块。12864的意思是指具备同时显示16个字符*2行的能力，共32个字符。每个点阵字符位都可以显示一个字符，字符之间有间隔，每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能显示图形。液晶可直接与单片机相连。下面进行引脚介绍：第1引脚：VSS为电源地。第2引脚：VDD接5V电源正极。第3引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正极电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4引脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5引脚：R/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6引脚：E(或EN)端为使能()端。

第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据端。第15~20引脚:15脚背光正极，20脚背光负极液晶可直接与单片机相连，接口电路一般在控制系统中，如果是正电压控制则选用共阴极液晶显示，是负电压控制的则选用共阳极液晶显示。液晶显示电路如图2.5所示. 图2.5 液晶显示电路2.4 烟雾传感模块设计 变压器防火控制系统的烟雾采集部分采用一款专用气敏传感器MQ-2，该模块广泛应用于烟雾浓度检测，通过电位器调节烟雾浓度控制阈值，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。MQ-2气体浓度传感器模块所使用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在烟雾时，传感器的导电率随空气中的烟雾浓度的增加而增大，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。模块中比较器采用LM393芯片，工作稳定，工作电压3.3V-5V，并且设有固定螺栓孔，方便安装；采用4线制接口电路：VCC（外接3.3V-5V）、GND（外接GND）、DO（模块数字量输出接口）以及AO（模块模拟量输出接口）。模块使用说明：（1）传感器适用于烟雾的浓度检测；（2）模块中蓝色的电位器是用于气体灵敏度的调节，顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度减小；（3）数字量输出D0可以与单片机直接相连。

MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定时间工作性能好。需要注意的是:在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。其检测可燃气体与烟雾的范围是100~ (ppm为体积浓度。1ppm=1 立方厘米/1立方米)MQ-2气敏传感器内部的敏感材料是微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感层。固定在塑料或不锈钢制成的腔体内的敏感元件是由测量电极和加热器构成的，其中加热器为传感器提供了必要的工作条件。现在市场上销售的封装好的MQ-2传感器仅有6只针状管脚，其中1、3、4管脚接+5V的电压，2、5、6脚直接接地。MQ-2采集到的气体信号通过1K欧姆电阻后输出的是0~5V的电压信号，其中滑动变阻器R7的阻值为20K，其作用是用来调节输出的电压信号的大小下所示如图2.6所示。图2.6 气体传感模块电路图系统模块实现过程：烟雾传感模块的VCC端接到5V电源，GCD端接地，RXD无线通讯数据输入接到单片机的PA9口（TXD），TXD无线通讯数据输出端接到单片机的PA10口（RXD）。模块与单片机需要通信，通信方式采用无线通讯，从单片机发送指令，指令以字节为单位从无线通讯口发送出去，模块接收指令，在运行指令，实现功能。

单片机的指令、模块的应答和烟雾传感数据的传输都要满足模块的规定包的格式。2.5 火焰采集电路设计变压器防火控制系统的火焰传感器利用火焰产生的红外线对它非常敏感的特点，我们采用特制的红外线接收管来检测火焰，红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器与比较器处理，输出电平信号。红外火焰传感器能够探测到波长在700纳米～1000纳米范围内的红外光，探测角度为60度左右，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。选用的集成火焰传感器在检测到火焰时，输出TTL低电平信号，与单片机I/O接口可以直接连接。当有火光照射时，会产生饱和反向漏电流，当火光比较弱的时候，漏电流也比较微弱，也叫做暗电流；当火光变强时，饱和反向漏电流迅速增加，暗电流变成光电流。因此可以通过改变光强来改变电流大小，利用光敏电阻中电流的变化，就可以得到电压的变化，从而通过ADC读取电压值数据，通过模数转换和固定计算公式来得到模拟光强值，来判断周围环境火光强弱。本设计中光敏电阻模块连接单片机的PB引脚，通过使用单片机内置的ADC1通道9采集对应的 PB引脚的外