一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，包括雷電信號(hào)采集模塊、微控制器模塊、時(shí)鐘模塊、顯示控制模塊、無線通訊模塊和電源模塊，雷電信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘模塊、顯示控制模塊及無線通訊模塊分別與微控制器模塊連接。由于采用了多種防雷手段，有效地避免了雷電的破壞和干擾并且實(shí)現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路的隔離，降低了各種干擾信號(hào)，使采集到的信號(hào)具有較高的精確度和線性度。
【專利說明】一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及雷電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]雷電探測(cè)技術(shù)是雷電科學(xué)的重要研究領(lǐng)域，雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在雷電的研究和防護(hù)中又處于重要的位置。輸變電桿塔雷電監(jiān)測(cè)、故障定位及排查等業(yè)務(wù)，以及在特殊高建筑物上專設(shè)雷電接閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所測(cè)得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)雷電科學(xué)的研究具有較大的意義。在雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究中，雖然已經(jīng)有了大型的雷電監(jiān)測(cè)場(chǎng)，但是成本較高，數(shù)量不是很多，目前國(guó)內(nèi)僅山東、廣州等地具有。閃電定位網(wǎng)技術(shù)依靠探測(cè)閃電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波來對(duì)閃電進(jìn)行定位。但閃電定位網(wǎng)誤差基本上是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或積累的探測(cè)資料來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具有較大的主觀性，定位儀站點(diǎn)位置的選定也存在較大的盲目性，同時(shí)閃電定位網(wǎng)對(duì)雷電波形及強(qiáng)度測(cè)量誤差較大。而一般的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能單一的記錄雷電次數(shù)，無法測(cè)量和記錄強(qiáng)度，對(duì)雷電科學(xué)的研究造成困難。
[0003]通過檢索發(fā)現(xiàn)專利-桿塔雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CN203037747U)運(yùn)用四個(gè)采集裝置、終端機(jī)、服務(wù)器構(gòu)成雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將采集到的雷擊發(fā)生時(shí)間和雷電流幅值通過線路傳輸至服務(wù)器，此方法對(duì)數(shù)據(jù)通訊線路沒有進(jìn)行防雷保護(hù)，當(dāng)雷擊影響通訊線路時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成影響且此方法沒能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷電流波形進(jìn)行記錄。專利-雷電監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)(CN203037749U)能夠有效避免雷電信號(hào)在傳輸過程中受到磁場(chǎng)和電磁干擾，但此系統(tǒng)不能夠記錄雷擊次數(shù)以及雷擊時(shí)間。專利-一種多通道綜合雷電監(jiān)測(cè)儀(CN203275530U)運(yùn)用羅氏線圈采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)直接雷感應(yīng)的浪涌電壓，再通過同軸線纜傳輸給過壓/過流保護(hù)電路，此方法沒有對(duì)雷電信號(hào)采集部分進(jìn)行電路隔離保護(hù)，因?yàn)椴杉盘?hào)裝置一直處于雷電環(huán)境中，各種干擾信號(hào)會(huì)隨著被測(cè)量信號(hào)進(jìn)入采集系統(tǒng)，從而使被測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確度降低，造成顯示錯(cuò)誤與控制失準(zhǔn)。專利-一種雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及雷電監(jiān)測(cè)終端(CN202794323U)同樣未能夠解決對(duì)雷電信號(hào)采集部分進(jìn)行電路隔離保護(hù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置。
[0005]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，包括雷電信號(hào)采集模塊、微控制器模塊、時(shí)鐘模塊、顯示控制模塊、無線通訊模塊和電源模塊，雷電信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘模塊、顯示控制模塊及無線通訊模塊分別與所述微控制器模塊連接，所述電源模塊能夠提供5V左右直流電源，為該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置供電；
[0007]所述雷電信號(hào)采集模塊由羅氏線圈、保護(hù)電阻、橋式整流單元、濾波單元、采樣電阻和光耦隔離單元順序連接而成，用于采集雷電信號(hào)并將信號(hào)向微控制器模塊傳遞；羅氏線圈是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，不含鐵芯，優(yōu)點(diǎn)為:測(cè)量線圈本身與被測(cè)電流回路沒有直接的電的聯(lián)系，而是通過電磁場(chǎng)耦合，與主回路由良好的電氣絕緣；同時(shí)，它測(cè)量范圍寬，可從幾A到數(shù)百kA，頻率可設(shè)計(jì)到0.1~100ΜΗz以上，且易于以數(shù)字量輸出。一般雷電沖擊電流多在IlOOkA以內(nèi)，主要頻率分量在700Ηz~1610Ηz之間。通過合理的設(shè)計(jì)，使羅氏線圈能過測(cè)量:Tl50kA、波形在l/ΙΟμ s和20/500 μ s范圍內(nèi)的雷電電流變化。輸出的雷電電流在0-3.5Α之間，使用1Ω的精密電阻作為采樣電阻，則采樣電壓在(T3.5V之間，且可以使輸出靈敏度大約為0.57V/kA，滿足大部分雷電的測(cè)量要求。
[0008]所述微控制器模塊用于處理雷電信號(hào)。
[0009]所述時(shí)鐘模塊用于提供時(shí)間數(shù)據(jù)；時(shí)鐘模塊可以采用低功耗芯片DS1302，可自動(dòng)對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月、念年及閏年補(bǔ)償進(jìn)行計(jì)數(shù)，擴(kuò)展萬(wàn)年歷功能顯示，采用三線接口與為控制器進(jìn)行同步通信。通信簡(jiǎn)單且精度較高，滿足此系統(tǒng)需求。
[0010]所述顯示控制模塊用于顯示及觸控操作；可以采用TFT電阻觸摸彩屏。
[0011]所述無線通訊模塊用于與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，方便用戶查看數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以放置“回溯查詢”功能按鈕，用以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)查詢歷史數(shù)據(jù)的功能。[0012]所述微控制器模塊選用ST公司STM32F103微控制器。它以Cortex — M3為內(nèi)核，具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速儲(chǔ)存器、12位AD轉(zhuǎn)換器、SDIO驅(qū)動(dòng)模塊、定時(shí)器等通過APB總線連接的外設(shè)、80個(gè)I/O接口以及高達(dá)128KB的閃存和20KB的SRAM，并提供3種低功耗模式，供用戶合理地優(yōu)化功耗。
[0013]所述光耦隔離單元采用型號(hào)為HCNR201的線性光耦元件。
[0014]所述無線通訊模塊包括RS485通訊接口和快速開關(guān)，所述RS485通訊接口的信號(hào)輸入的A、B端間連接功率電阻，并分別通過一瞬態(tài)抑制二極管后接地，同時(shí)并聯(lián)連接一瞬態(tài)抑制二極管，RS485通訊接口 A、B端兩端分別串聯(lián)連接功率電阻及快速開關(guān)后并聯(lián)連接一氣體放電管。
[0015]該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置還包括用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)SD卡儲(chǔ)存模塊，所述SD卡儲(chǔ)存模塊與所述微控制器模塊連接。使該裝置具有回溯查詢的功能，可以查詢近年來系統(tǒng)所記錄的雷電強(qiáng)度、雷電流波形、一天內(nèi)的雷電次數(shù)以及發(fā)生的時(shí)間。
[0016]本實(shí)用新型具有以下突出的有益效果:
[0017]1、將雷電與弱電部分通過羅氏線圈和光耦隔離單元形成隔離，能夠有效防微控制器因線路上的雷電過電壓而造成的損壞。
[0018]2、對(duì)雷電流信號(hào)采集部分進(jìn)行了電路保護(hù)，采用了 2路線性光耦元件，實(shí)現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路的隔離，降低了各種干擾信號(hào)，使采集到的信號(hào)具有較高的精確度和線性度。
[0019]3、通過增加保護(hù)開關(guān)，對(duì)通訊線路采用了防雷手段，使得通訊電路不受影響，有效保護(hù)通訊電路。
[0020]5、本實(shí)用新型智能雷電監(jiān)測(cè)裝置集成度較高，體積小、成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)，安全可靠，使用方便靈活。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實(shí)用新型的智能雷電監(jiān)測(cè)裝置模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型中的雷電信號(hào)采集模塊電路圖；[0023]圖3為本實(shí)用新型中的無線通訊模塊電路圖；
[0024]圖中，1-雷電信號(hào)采集模塊，4-微控制器模塊，3-顯示控制模塊，2-時(shí)鐘模塊，5-無線通訊模塊，6-SD卡儲(chǔ)存模塊，7-電源模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明:
[0026]參加附圖1，一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，包括雷電信號(hào)采集模塊1、微控制器模塊4、時(shí)鐘模塊2、顯示控制模塊3、無線通訊模塊5、用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)SD卡儲(chǔ)存模塊6和電源模塊7，雷電信號(hào)采集模塊1、時(shí)鐘模塊2、顯示控制模塊3、SD卡儲(chǔ)存模塊6及無線通訊模塊5分別與所述微控制器模塊4連接，所述電源模塊7為該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置供電；
[0027]參見圖2，所述雷電信號(hào)采集模塊I由羅氏線圈、保護(hù)電阻R1、橋式整流單元、濾波單元、采樣電阻R2和型號(hào)為HCNR201的線性光耦元件順序連接而成，用于采集雷電信號(hào)并將信號(hào)向微控制器模塊4傳遞。其中，濾波單元采用2個(gè)電容C1、C2和I個(gè)鐵芯電感LI組成的Π型LC濾波電路。這種類型的電路適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)整流管的沖擊遞到微控制器中的電流小，且輸出電流更加平滑。通過整流、濾波電路后的電壓值大約衰減為初始值的90%，可以通過微控制器的軟件補(bǔ)償，進(jìn)行修正。羅氏線圈采樣得到雷電流，通過一個(gè)以防電流過大的保護(hù)電阻Rl后，利用橋式整流電路和濾波電路，將電流變?yōu)橹绷?，后通過一個(gè)大小為I Ω的精密電阻R2作為采樣電阻，得到雷電電壓量，再將采集到的電壓信號(hào)分2路通過光耦產(chǎn)生脈沖信號(hào)給微控制器，一路當(dāng)有雷電電壓時(shí)將輸出一個(gè)下降沿，觸發(fā)微控制器的外部中斷，使微控制器工作，其余時(shí)候，微控制器可以處于低功耗狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗；一路將輸出模擬電壓值送給微控制器的內(nèi)部ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行處理。HCNR201是一款高線性度、寬頻帶、低溫度增益的線性光耦，通過外接不同的分立器件，可以實(shí)現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路。
[0028]本實(shí)施例中的微控制器模塊4采用STM32F103微控制器，所述時(shí)鐘模塊2采用低功耗芯片DS1302 ;顯示控制模塊3采用TFT電阻觸摸彩屏。
[0029]參見圖3，用于與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞無線通訊模塊5包括RS485通訊接口和快速開關(guān)，所述RS485通訊接口的信號(hào)輸入的A、B端間連接功率電阻，并分別通過一瞬態(tài)抑制二極管后接地，同時(shí)并聯(lián)連接一瞬態(tài)抑制二極管，RS485通訊接口 A、B端兩端分別串聯(lián)連接功率電阻及快速開關(guān)后并聯(lián)連接一氣體放電管。采用了一種專門針對(duì)RS485通訊的快速開關(guān)簡(jiǎn)稱TUB。電路中如果遇到雷擊或者大的浪涌電壓從COMA、COMB線進(jìn)入時(shí)，功率電阻R12、R13起到限流的作用，如果瞬間電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過TUB的動(dòng)作值時(shí)，TUB在Ius內(nèi)斷開整個(gè)電路。圖3中的TVS為瞬態(tài)抑制二極管是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，當(dāng)TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。TUB后端殘余電壓通過TVS引入大地，TUB前端殘余電壓通過氣體放電管FDG引入大地，使得通訊電路不受影響，從而保護(hù)了通訊電路。RS485通訊是基于RS422通訊技術(shù)的一種補(bǔ)充，該技術(shù)采用平衡式發(fā)送、差分方式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，可以實(shí)現(xiàn)2條電纜傳輸，多達(dá)128個(gè)分支節(jié)點(diǎn)。因此，該總線具有支持多接點(diǎn)、傳輸距離遠(yuǎn)和使用成本低的優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)運(yùn)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的具體情況，RS485經(jīng)過防雷保護(hù)輸出的信號(hào)還可以通過RS485/RS232變換器在接入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)之前變換成為RS232通信方式，通過串口接入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，完成微控制器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)通信，RS485接口芯片型號(hào)為MAX3089。
[0030]當(dāng)雷電信號(hào)采集模塊I采集雷電信號(hào)后，將信號(hào)向微控制器模塊4傳遞；微控制器模塊4對(duì)其進(jìn)行處理，然后通過無線通訊模塊5向監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)，數(shù)據(jù)結(jié)果可以通過顯示控制模塊3顯示出來。由于羅氏線圈和光耦隔離單元形成隔離以及通過增加保護(hù)開關(guān)，對(duì)通訊線路采用了防雷手段，有效地避免了雷電的破壞和干擾；同時(shí)采用2路線性光耦元件，實(shí)現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路的隔離，降低了各種干擾信號(hào)，使采集到的信號(hào)具有較高的精確度和線性度。
[0031]以上是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置包括雷電信號(hào)采集模塊(I)、微控制器模塊(4)、時(shí)鐘模塊(2)、顯示控制模塊(3)、無線通訊模塊(5)和電源模塊(7 )，雷電信號(hào)采集模塊(I)、時(shí)鐘模塊(2 )、顯示控制模塊(3 )及無線通訊模塊(5 )分別與所述微控制器模塊(4 )連接，所述電源模塊(7 )為該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置供電； 所述雷電信號(hào)采集模塊(I)由羅氏線圈、保護(hù)電阻、橋式整流單元、濾波單元、采樣電阻和光耦隔離單元順序連接而成，用于采集雷電信號(hào)并將信號(hào)向微控制器模塊(4)傳遞； 所述微控制器模塊(4)用于處理雷電信號(hào)； 所述時(shí)鐘模塊(2)用于提供時(shí)間數(shù)據(jù)； 所述顯示控制模塊(3)用于顯示及觸控操作； 所述無線通訊模塊(5 )用于與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述微控制器模塊(4)為STM32F103微控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述光耦隔離單元采用型號(hào)為HCNR201的線性光耦元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述無線通訊模塊(5)包括RS485通訊接口和快速開關(guān)，所述RS485通訊接口的信號(hào)輸入的A、B端間連接功率電阻，并分別通過一瞬態(tài)抑制二極管后接地，同時(shí)并聯(lián)連接一瞬態(tài)抑制二極管，RS485通訊接口 A、B端兩端分別串聯(lián)連接功率電阻及快速開關(guān)后并聯(lián)連接一氣體放電管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雷電監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該智能雷電監(jiān)測(cè)裝置還包括用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)SD卡儲(chǔ)存模塊(6)，所述SD卡儲(chǔ)存模塊(6)與所述微控制器模塊(4)連接。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK203732635SQ201420113202
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】楊仲江, 姜蘇, 李鵬飛, 曹洪亮 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)