轨道交通低压供电系统设备温湿度监测控制系统的设计

摘要：本文论述了轨道交通低压供电系统设备温湿度监测控制系统的设计，包括整体方案、硬件方案和软件方案的设计。该控制系统能实现对轨道交通低压供电系统设备的远程实时监测，解决传统对低压供电系统设备进行人工巡检测试费时费力的问题。本系统以STC单片机为核心，利用DTH11温湿度传感器、ESP8266 WIFI模块、LCD1602液晶显示屏等元件。整个系统充分利用了STC单片机的内部资源，最大程度地简化了硬件电路，使系统具有较高的性价比和可靠性。

关键词：低压设备;温湿度检测;控制系统

中图分类号：TP274   文献标识码：A  文章编号：1007-9416（2020）06-0000-00

0 引言

目前，地铁车站和区间的低压供电系统设备均采用交流380/220V电源供电，电源取自降压变电所及跟随式降压变电所。低压供电系统设备的正常运行决定了地铁的安全性、可靠性和舒适度。因此，为之提供电源的低压供电系统设备是南京地铁能否正常运营的基础。

地铁车站一般分为站厅、站台、公共区、设备区，主要低压供电系统设备（包括低压开关柜、应急照明电源装置、低压配电箱）多数集中在设备区内。目前在建和开通的地铁项目中暴露出低压供电系统设备部分较为严重的安全隐患[1]。

湿度过大会引发低压供电系统设备故障，温度过高会加速低压供电系统设备绝缘的破坏和老化，从而造成极为严重的安全隐患，严重影响南京地铁运营服务质量。因此，提前预防与消除安全隐患，对保证南京地铁安全、稳定、可靠运营有重要的实际意义。

但目前地铁对低压供电系统设备排除故障主要以人工手持检测仪进行巡检，存在工作量大，不能及时排查故障等缺点。因此，传统的人工巡检测试的方法已经不太适合低压供电系统设备排除故障工作。

针对上述情况，本文设计了一套轨道交通低压供电系统设备温湿度监测控制方案，不用人工干预或是尽量少用人工干预下完成以往可能需要消耗大量人力效率极低可靠性又不够高的工作[2]。

1 系统总体设计

本着操作简便、安全可靠、效率高的目标，轨道交通低压供电系统设备温湿度监测控制系统应达到以下要求：DTH11温湿度采集电路将温湿度模拟信号转换成数字信号，送入单片机STC89C51进行处理。LCD1602显示电路用于显示下位机处理好的温湿度。当设备温湿度超过设定的报警阙值时，启动蜂鸣器报警。ESP8266 WIFI模块实现将下位机向上位机的数据传输[3]。

轨道交通低压供电系统设备温湿度监测控制系统组成框图如图1所示。该系统主要由STC89C51单片机、最小系统电路、下载电路、按键电路、温湿度传感器电路、LCD1602显示电路、报警指示电路、ESP8266 WIFI模块组成[4]。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器的设计

主控制器采用宏晶科技公司推出的新一代STC89C51单片机，指令代码完全兼容传统的51系列单片机，具有高速，低功耗，抗干扰超强的功能。STC89C51单片机有如下特点：工作电压分为两种：5V（3.3V-5.5V），3V（2.0V-3.8V）;工作频率：0～40MHz，实际工作频率可达到48MHz; 用户应用程序空间8K;512字节RAM;通用I/O口（32个），P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉;具有看门狗功能;有T0、T1、T2共3个16位定时器/计数器;工作温度：-40～+85℃（工业级）或0～75℃（商业级）。STC89C51引脚接线图如图2所示。

2.2 最小系統电路的设计

单片机最小系统电路包括时钟电路、复位电路以及电源电路。时钟电路为单片机工作提供基本时钟，复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到初始值。电源电路为单片机提供工作电源[5]。

2.2.1时钟电路

单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号下严格地按照时序进行工作。时钟电路用于产生单片机工作所需要地时钟信号。时钟电路采用2个30pF的电容和一个12MHz的晶振组成，如图3所示。

2.2.2复位电路

复位电路有一个非锁存按钮和一个电解电容，当按下按钮时，该电容向单片机的RST发送一个高电平，没有按下时RST端输入的是低电平。复位电路如图4所示。

2.2.3电源电路

电源电路由三节干电池和单极/双掷开关组成，为单片机提供4.5V的直流电。电源电路如图5所示。

2.3 下载电路的设计

下载器接口接到单片机的TXD和RXD接口，实现电脑和单片机的通信，并将程序烧写至单片机中。下载电路如图6所示。

2.4 按键电路的设计

用四个按键来调节按键电路，其中按键一是用来更改模式，模式一为温度上限的修改，模式二为温度下限的修改，模式三为湿度上限的修改，模式四为湿度下限的修改。按键二是在修改模式是下的累加键，修改精度为小数点后面两位。按键三是在修改模式下的递减键，修改精度精确到小数点后两位。按键四是确认键，在修改完成后按下确认键，则保存修改后的数值。按键一按第五下返回实时显示温湿度的画面。按键电路如图7所示[6]。

2.5温湿度采集电路的设计

温湿度采集电路采用数字温湿度传感器DHT11，该传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。温湿度传感器DHT11在使用时，必须在电源和连接串口之间接上一个上拉电阻，如图3所示，1引脚接电源，2引脚接单片机P3.7串行口，3引脚必须空悬，4引脚用来接地。温湿度采集电路如图8所示[7]。

2.6 LCD1602显示电路的设计

LCD1602显示电路采用LCD1602液晶显示屏用来进行显示。单片机将温湿度传感器采集的数据进行处理后，由LCD1602进行显示温湿度信息。LCD1602显示电路如图9所示。

LCD1602显示屏采用标准的16引脚接口。本设计采用单片机的P0.0～P0.7引脚接LCD1602的7～14引脚，用以LCD1602液晶显示屏的字幕显示;单片机的P2.6引脚来连接LCD1602的4引脚，用P2.5引脚来连接LCD1602的5引脚，用P2.7引脚来连接LCD1602的6引脚，用以向LCD1602液晶显示屏写入指令命令;LCD1602的1引脚接电源VCC，2引脚用来接地，3引脚接滑动变阻器来改变调节电压，15，16引脚可以用来调节显示屏的背光亮度[8]。

2.7报警指示电路的设计

用四个发光二极管来做报警指示灯，分别是温度上限报警指示灯、温度下限报警指示灯、湿度上限报警指示灯、湿度下限报警指示灯。采用的接线方法是共阴极接线，只有当输入的电压为高电平的时候发光二极管才会亮，否则发光二极管就会灭。蜂鸣器用于在发生警报时发出警报声。报警指示电路如图10所示[9]。

2.8 ESP8266 WIFI模块电路的设计

ESP8266 WIFI模块电路以ESP8266继电器、WIFI模块为核心，USB转TTL模块为桥梁，从而实现将单片机处理后的温湿度信息传输给个人移动终端，实现数据远程无线监测的目的。ESP8266 WIFI模块电路如图11所示。

3 系统软件设计

在程序运行过程之中必须先进行初始化操作，包括温湿度测量子程序、按键子程序、LCD1602显示子程序、无线传输子程序、报警子程序以及各个控制端口的初始化操作。

在初始化过后进行温湿度的检测，并判断实时温湿度是否超出设定值得上下限。若实时温湿度超出（低于）设定值得上下限，则调用报警子程序。检测值在LCD1602上显示，并利用无线传输模块发送至个人移动终端进行显示。主程序流程图如图所示12所示[10]。

4 结语

本系统以STC单片机为核心，利用DTH11温湿度传感器、ESP8266 WIFI模块、LCD1602液晶显示屏等元件。该系统能实现对轨道交通低压供电系统设备的远程实时监测，解决传统对低压供电系统设备进行人工巡检测试费时费力的问题[11]。整个系统充分利用了STC单片机的内部资源，最大程度地简化了硬件电路，使系统具有较高的性价比和可靠性。

参考文献

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收稿日期：2020-05-08

课题：南京交通职业技术学院科研项目，编号：JZ1804。

作者简介：潘彩霞（1982—），女，江苏江阴人，硕士，讲师，研究方向：轨道交通机电一體化。