变电站火灾报警机器人的研发与应用

变电站火灾报警机器人的研发与应用

付加彬

国网山东省电力公司临邑县供电公司山东省德州市251500

摘要：变电站一旦出现火灾，会造成整个电网的瓦解，严重危害了供电可靠性。所以做好变电站的防火措施，是保障电网安全稳定运行至关重要的一项工作。

关键词：火灾报警；变电站；研发应用

引言

从公安部消防局宣传处的统计信息显示：2013年全国共发生电气火灾11.3万起，造成703人死亡、515人受伤，直接财产损失达18.5亿元，其中变电站火灾是最严重的火灾类型之一。变电站一旦出现火灾，会造成整个电网的瓦解，严重危害了供电可靠性。所以做好变电站的防火措施，是保障电网安全稳定运行至关重要的一项工作。

1问题的提出

变电站的消防系统包括消火栓系统、自动喷淋系统（部分区域）、火灾自动报警系统、气体灭火系统、通风防排烟系统、防火门、防火卷帘、防火封堵。现有的变电站的火灾报警系统为“被动报警火灾”，等烟雾或温度发展到一定程度，才能够触发火灾自动报警系统，进行报警。

变电站火灾报警机器人改变变电站“被动报警火灾”为“主动探寻火灾源”，更快发现火灾，更准确确定火灾源，提高变电站安全系数。

火灾报警机器人的可行性：（1）变电站火灾报警机器人主要包括超声波测距模块、电机驱动模块、火焰传感器模块、循迹模块、烟雾传感器、直流电机模块、有源蜂鸣器模块、电源模块、单片机系统等模块。（2）变电站火灾报警机器人需要的各个模块的技术已经很成熟，为机器人的研制提供了很大的便利。

2提出方案

变电站火灾报警机器人的研制，首先要选择采用哪种检测方法，这将影响到检测的准确性、迅速性。小组成员运用头脑风暴法，集思广益，一致决定采用火焰、烟雾、温度相结合的检测方法。根据变电站火灾报警机器人所要实现的功能，小组将该机器人分为部分：超声波测距模块、直流电机模块、电机驱动模块、循迹模块、火焰传感器模块、有源蜂鸣器模块、电源模块、单片机系统等模块。

2.1超声波测距模块

HC-SR04超声波测距模块，本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。

2.2电动机驱动模块

产品参数：

（1）驱动芯片：L298N双H桥直流电机驱动芯片

（2）驱动部分端子供电范围Vs：＋5V～＋35V；如需要板内取电，则供电范围Vs：+7V～+35V

（3）驱动部分峰值电流Io：2A

（4）逻辑部分端子供电范围Vss：＋5V～＋7V（可板内取电＋5V）

（5）逻辑部分工作电流范围:0～36mA

（6）控制信号输入电压范围：

低电平：－0.3V≤Vin≤1.5V

高电平：2.3V≤Vin≤Vss

（7）使能信号输入电压范围：

低电平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效）

高电平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效）

（8）最大功耗：20W（温度T＝75℃时）

（9）存储温度：－25℃～＋130℃

（10）驱动板尺寸:48mm*43mm*33mm(带固定铜柱和散热片高度)

（11）驱动板重量：33g

（12）其他扩展：控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口。

使用说明：步进电机的驱动，板上的ENA与ENB为高电平时有效，这里的电平指的是TTL电平。ENA为A1和A2的使能端，ENB为B1和IB2的使能端。BJ接步进电机公共端。

2.3循迹模块

TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。

2.4烟雾传感器

MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。我们建议您用1000ppm氢气或1000ppm丁烷校准传感器。

2.5火焰传感器模块

模块特色：

（1）可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远

（2）探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏

（3）灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）

（4）比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA

（5）配可调精密电位器调节灵敏度

（6）工作电压3.3V-5V

2.6单片机系统

2.6.1控制器简介：

采用STC89C58RD+单片机。其主要特性介绍如下：

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。

（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

（4）用户应用程序空间为32K字节

（5）片上集成512字节RAM，通用I/O口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

（6）具有EEPROM功能

（7）共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2

2.6.2单片机各引脚功能

STC89C58RD+是很常用的单片机，它的引脚及结构在这里不作具体介绍，只分析具体引脚的功能与本设计中用到的功能和引脚的分配使用。

（1）VSS(20脚)：接地，与电源模块地接到一起。

（2）VCC（40脚）：与其他芯片电源接到一起为主电源+5V。

（3）XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部振荡器时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

（4）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是振荡放大器的输出端。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚接受振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CHMOS单片机，此引脚应保持悬浮。本设计中单片机的18、19脚分别与晶振两端相连即可。

（5）RST（9脚）：系统上电后，单片机内部的各寄存器均处于随机状态，在此引脚输入大于两个机器周期高电平将使其回到初始状态即复位（RESET）。

（6）EA/VPP（31脚）：当EA端输入高电平时，CPU访问内ROM，但是当地址超出0FFFH时，将自动转向访问片外ROM的程序。当EA端保持低电平时，CPU只访问片外ROM。在对8751编程时，此引脚用于施加编程电源Vpp。本设计没有用到Vpp引脚。

（7）P0.0—P0.3（39脚—32脚）；P1.0—P1.7（1脚—8脚）；P2.0—P2.7（26脚—21脚）；P3.0—P3.7（10脚—17脚）为普通输入输出端口（I/O口）。

2.6.3单片机控制功能的实现

单片机通过普通输入输出端口（I/O口）与电机，寻迹，超声波测距，烟雾与火焰探测，报警等模块连接，通过编程对其数据进行读取，然后控制其执行相应指令，实现消防机器人的功能。

结束语

通过理论与实践相结合，进行试验，发现问题，不断调试，最终变电站火灾报警机器人能够快速、准确的发现火灾源。

参考文献

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