CN103901280A

CN103901280A - 一种智能雷电监测装置

Info

Publication number: CN103901280A
Application number: CN201410091520.8A
Authority: CN
Inventors: 杨仲江; 姜苏; 李鹏飞; 曹洪亮
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了一种智能雷电监测装置，包括雷电信号采集模块、微控制器模块、时钟模块、显示控制模块、无线通讯模块和电源模块，雷电信号采集模块、时钟模块、显示控制模块及无线通讯模块分别与微控制器模块连接。由于采用了多种防雷手段，有效地避免了雷电的破坏和干扰并且实现模拟电路与数字电路的隔离，降低了各种干扰信号，使采集到的信号具有较高的精确度和线性度。

Description

一种智能雷电监测装置

技术领域

本发明涉及雷电监测领域技术领域，具体说是一种智能雷电监测装置。

背景技术

雷电探测技术是雷电科学的重要研究领域，雷电监测系统在雷电的研究和防护中又处于重要的位置。输变电杆塔雷电监测、故障定位及排查等业务，以及在特殊高建筑物上专设雷电接闪监测系统，所测得的基础数据对雷电科学的研究具有较大的意义。在雷电监测系统的研究中，虽然已经有了大型的雷电监测场，但是成本较高，数量不是很多，目前国内仅山东、广州等地具有。闪电定位网技术依靠探测闪电发生时产生的电磁波来对闪电进行定位。但闪电定位网误差基本上是根据经验估计或积累的探测资料来进行统计分析，具有较大的主观性，定位仪站点位置的选定也存在较大的盲目性，同时闪电定位网对雷电波形及强度测量误差较大。而一般的监测系统只能单一的记录雷电次数，无法测量和记录强度，对雷电科学的研究造成困难。

通过检索发现专利-杆塔雷电监测系统(CN203037747U)运用四个采集装置、终端机、服务器构成雷电监测系统，将采集到的雷击发生时间和雷电流幅值通过线路传输至服务器，此方法对数据通讯线路没有进行防雷保护，当雷击影响通讯线路时，对测量结果会造成影响且此方法没能够实现对雷电流波形进行记录。专利-雷电监测装置及系统(CN203037749U)能够有效避免雷电信号在传输过程中受到磁场和电磁干扰，但此系统不能够记录雷击次数以及雷击时间。专利-一种多通道综合雷电监测仪(CN203275530U)运用罗氏线圈采集被监测区域内直接雷感应的浪涌电压，再通过同轴线缆传输给过压/过流保护电路，此方法没有对雷电信号采集部分进行电路隔离保护，因为采集信号装置一直处于雷电环境中，各种干扰信号会随着被测量信号进入采集系统，从而使被测量信号的准确度降低，造成显示错误与控制失准。专利-一种雷电监测系统及雷电监测终端(CN202794323U)同样未能够解决对雷电信号采集部分进行电路隔离保护问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种智能雷电监测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种智能雷电监测装置，包括雷电信号采集模块、微控制器模块、时钟模块、显示控制模块、无线通讯模块和电源模块，雷电信号采集模块、时钟模块、显示控制模块及无线通讯模块分别与所述微控制器模块连接，所述电源模块能够提供5V左右直流电源，为该智能雷电监测装置供电；

所述雷电信号采集模块由罗氏线圈、保护电阻、桥式整流单元、滤波单元、采样电阻和光耦隔离单元顺序连接而成，用于采集雷电信号并将信号向微控制器模块传递；罗氏线圈是一种特殊结构的空心线圈，不含铁芯，优点为：测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，而是通过电磁场耦合，与主回路由良好的电气绝缘；同时，它测量范围宽，可从几A到数百kA，频率可设计到0.1~100MHz以上，且易于以数字量输出。一般雷电冲击电流多在1~200kA以内，主要频率分量在700Hz~1610Hz之间。通过合理的设计，使罗氏线圈能过测量3~150kA、波形在1/10μs和20/500μs范围内的雷电电流变化。输出的雷电电流在0~3.5A之间，使用1Ω的精密电阻作为采样电阻，则采样电压在0~3.5V之间，且可以使输出灵敏度大约为0.57V/kA，满足大部分雷电的测量要求。

所述微控制器模块用于处理雷电信号。

所述时钟模块用于提供时间数据；时钟模块可以采用低功耗芯片DS1302，可自动对秒、分、时、日、周、月、念年及闰年补偿进行计数，扩展万年历功能显示，采用三线接口与为控制器进行同步通信。通信简单且精度较高，满足此系统需求。

所述显示控制模块用于显示及触控操作；可以采用TFT电阻触摸彩屏。

所述无线通讯模块用于与监控数据的计算机进行数据传递，设计友好的人机界面，方便用户查看数据，同时还可以放置“回溯查询”功能按钮，用以通过触摸屏实现查询历史数据的功能。

所述微控制器模块选用ST公司STM32F103微控制器。它以Cortex—M3为内核，具有高性能、低功耗、实时性等特点，工作频率为72MHz，内置高速储存器、12位AD转换器、SDIO驱动模块、定时器等通过APB总线连接的外设、80个I/O接口以及高达128KB的闪存和20KB的SRAM，并提供3种低功耗模式，供用户合理地优化功耗。

所述光耦隔离单元采用型号为HCNR201的线性光耦元件。

所述无线通讯模块包括RS485通讯接口和快速开关，所述RS485通讯接口的信号输入的A、B端间连接功率电阻，并分别通过一瞬态抑制二极管后接地，同时并联连接一瞬态抑制二极管，RS485通讯接口A、B端两端分别串联连接功率电阻及快速开关后并联连接一气体放电管。

该智能雷电监测装置还包括用于储存数据SD卡储存模块，所述SD卡储存模块与所述微控制器模块连接。使该装置具有回溯查询的功能，可以查询近年来系统所记录的雷电强度、雷电流波形、一天内的雷电次数以及发生的时间。

本发明具有以下突出的有益效果：

1、将雷电与弱电部分通过罗氏线圈和光耦隔离单元形成隔离，能够有效防微控制器因线路上的雷电过电压而造成的损坏。

2、对雷电流信号采集部分进行了电路保护，采用了2路线性光耦元件，实现模拟电路与数字电路的隔离，降低了各种干扰信号，使采集到的信号具有较高的精确度和线性度。

3、通过增加保护开关，对通讯线路采用了防雷手段，使得通讯电路不受影响，有效保护通讯电路。

5、本发明智能雷电监测装置集成度较高，体积小、成本低、稳定性强，安全可靠，使用方便灵活。

附图说明

图1是本发明的智能雷电监测装置模块结构示意图；

图2为本发明中的雷电信号采集模块电路图；

图3为本发明中的无线通讯模块电路图；

图中，1-雷电信号采集模块，2-微控制器模块，3-显示控制模块，4-时钟模块，5-无线通讯模块，6-SD卡储存模块，7-电源模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:

参加附图1，一种智能雷电监测装置，包括雷电信号采集模块1、微控制器模块2、时钟模块4、显示控制模块3、无线通讯模块5、用于储存数据SD卡储存模块6和电源模块7，雷电信号采集模块1、时钟模块4、显示控制模块3、SD卡储存模块6及无线通讯模块5分别与所述微控制器模块2连接，所述电源模块7为该智能雷电监测装置供电；

参见图2，所述雷电信号采集模块1由罗氏线圈、保护电阻R1、桥式整流单元、滤波单元、采样电阻R2和型号为HCNR201的线性光耦元件顺序连接而成，用于采集雷电信号并将信号向微控制器模块2传递。其中，滤波单元采用2个电容C1、C2和1个铁芯电感L1组成的Π型LC滤波电路。这种类型的电路适应性强、对整流管的冲击递到微控制器中的电流小，且输出电流更加平滑。通过整流、滤波电路后的电压值大约衰减为初始值的90%，可以通过微控制器的软件补偿，进行修正。罗氏线圈采样得到雷电流，通过一个以防电流过大的保护电阻R1后，利用桥式整流电路和滤波电路，将电流变为直流，后通过一个大小为1Ω的精密电阻R2作为采样电阻，得到雷电电压量，再将采集到的电压信号分2路通过光耦产生脉冲信号给微控制器，一路当有雷电电压时将输出一个下降沿，触发微控制器的外部中断，使微控制器工作，其余时候，微控制器可以处于低功耗状态，降低系统功耗；一路将输出模拟电压值送给微控制器的内部ADC进行A/D转换并进行处理。HCNR201是一款高线性度、宽频带、低温度增益的线性光耦，通过外接不同的分立器件，可以实现多种光电隔离转换电路。

本实施例中的微控制器模块2采用STM32F103微控制器，所述时钟模块4采用低功耗芯片DS1302；显示控制模块3采用TFT电阻触摸彩屏。

参见图3，用于与监控数据的计算机进行数据的传递无线通讯模块5包括RS485通讯接口和快速开关，所述RS485通讯接口的信号输入的A、B端间连接功率电阻，并分别通过一瞬态抑制二极管后接地，同时并联连接一瞬态抑制二极管，RS485通讯接口A、B端两端分别串联连接功率电阻及快速开关后并联连接一气体放电管。采用了一种专门针对RS485通讯的快速开关简称TUB。电路中如果遇到雷击或者大的浪涌电压从COMA、COMB线进入时，功率电阻R12、R13起到限流的作用，如果瞬间电流远远超过TUB的动作值时，TUB在1us内断开整个电路。图3中的TVS为瞬态抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件，当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。TUB后端残余电压通过TVS引入大地，TUB前端残余电压通过气体放电管FDG引入大地，使得通讯电路不受影响，从而保护了通讯电路。RS485通讯是基于RS422通讯技术的一种补充，该技术采用平衡式发送、差分方式接收的数据收发器来驱动总线，可以实现2条电缆传输，多达128个分支节点。因此，该总线具有支持多接点、传输距离远和使用成本低的优点，成为工业运用中数据传输的首选。根据实际应用中的具体情况，RS485经过防雷保护输出的信号还可以通过RS485/RS232变换器在接入监控数据的计算机之前变换成为RS232通信方式，通过串口接入监控数据的计算机，完成微控制器和监控数据的计算机通信，RS485接口芯片型号为MAX3089。

当雷电信号采集模块1采集雷电信号后，将信号向微控制器模块2传递；微控制器模块2对其进行处理，然后通过无线通讯模块5向监控数据的计算机进行数据传递，同时，数据结果可以通过显示控制模块3显示出来。由于罗氏线圈和光耦隔离单元形成隔离以及通过增加保护开关，对通讯线路采用了防雷手段，有效地避免了雷电的破坏和干扰；同时采用2路线性光耦元件，实现模拟电路与数字电路的隔离，降低了各种干扰信号，使采集到的信号具有较高的精确度和线性度。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能雷电监测装置，其特征在于，该智能雷电监测装置包括雷电信号采集模块（1）、微控制器模块（2）、时钟模块（4）、显示控制模块（3）、无线通讯模块（5）和电源模块（7），雷电信号采集模块（1）、时钟模块（4）、显示控制模块（3）及无线通讯模块（5）分别与所述微控制器模块（2）连接，所述电源模块（7）为该智能雷电监测装置供电；

所述雷电信号采集模块（1）由罗氏线圈、保护电阻、桥式整流单元、滤波单元、采样电阻和光耦隔离单元顺序连接而成，用于采集雷电信号并将信号向微控制器模块（2）传递；

所述微控制器模块（2）用于处理雷电信号；

所述时钟模块（4）用于提供时间数据；

所述显示控制模块（3）用于显示及触控操作；

所述无线通讯模块（5）用于与监控数据的计算机进行数据传递。

2.根据权利要求1所述的智能雷电监测装置，其特征在于，所述微控制器模块（2）为STM32F103微控制器。

3.根据权利要求1所述的智能雷电监测装置，其特征在于，所述光耦隔离单元采用型号为HCNR201的线性光耦元件。

4.根据权利要求1所述的智能雷电监测装置，其特征在于，所述无线通讯模块（5）包括RS485通讯接口和快速开关，所述RS485通讯接口的信号输入的A、B端间连接功率电阻，并分别通过一瞬态抑制二极管后接地，同时并联连接一瞬态抑制二极管，RS485通讯接口A、B端两端分别串联连接功率电阻及快速开关后并联连接一气体放电管。

5.根据权利要求1所述的智能雷电监测装置，其特征在于，该智能雷电监测装置还包括用于储存数据SD卡储存模块（6），所述SD卡储存模块（6）与所述微控制器模块（2）连接。