CN110504737B - 一种基于光伏电池的地波微振动采集装置 - Google Patents

一种基于光伏电池的地波微振动采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，本发明通过设置光伏组件、地波传感器以及微振动监测模块，利用光伏组件为采集装置进行供电，将地波传感器探测到的地波数据经微振动监测模块进行处理，从而实现基于光伏电池对于地波的无线探测。当光照充足时，利用光伏充放电路为负载进行供电，并将收集到的多余的电量同时为蓄电池进行充电，当蓄电池充满后，通过光伏充放电路自动停止充电过程；当处于光照不足的情况时，太阳能不足，可以通过负载供电切换单元将负载供电切换为蓄电池供电，从而避免了反复回收电池进行充电的繁琐操作，节省人力，且无需担心电池续航问题，方便数据采集，提高了地波数据采集效率。

Description

一种基于光伏电池的地波微振动采集装置
技术领域
本发明涉及地波探测技术领域，特别是一种基于光伏电池的地波微振动采集装置。
背景技术
地波微振动采集装置作为地波微振动的感知装置，埋于地下，对土壤微振动进行采集和回传，能在一定范围内对土壤的挖掘、踩踏动作以及远距离爆破等行为进行精密的感知。
由于在地波采集过程中，需要设置多组采集装置进行采集，现有的地波微振动采集装置大都采用内置蓄电池，在采集前充电，充电后将装置放置到采集地点进行数据采集。但是此种方法操作繁琐，需要频繁将装置中的电池回收进行充电，造成人力的浪费。另外电池续航问题也时常影响采集工作的进度，造成采集过程中的不便，因此急需一种无需反复回收进行充电的且电池续航大的地波微振动采集装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，旨在解决现有技术中地波探测电池需反复回收进行充电且存在电池续航小的问题，实现利用光伏组件为采集装置进行供电，避免反复回收电池进行充电的繁琐操作，节省人力，提高地波数据采集效率。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，所述装置包括：
光伏组件、蓄电池、地波传感器以及微振动监测模块；
所述地波传感器与微振动监测模块连接，所述光伏组件分别连接蓄电池和微振动监测模块，所述蓄电池为地波传感器以及微振动监测模块供电；
所述光伏组件包括光伏电池板以及光伏充放电管理电路，所述充放电管理电路包括光伏充放电路以及负载供电切换电路，所述光伏充放电路控制蓄电池的充放电，所述负载供电切换电路控制负载供电的切换。
优选地，所述光伏充放电路为以下电路结构：
Power端连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接二极管D4和电阻R16，电阻R16的另一端连接电阻R17、二极管D5、电容C16以及太阳能电源，电阻R17、二极管D5以及电容C16的另一端接地；Power In输入端连接电阻R54和三极管Q22的集电极，电阻R54的另一端连接Q22的基极和稳压管D9的一端，Q22的发射极连接电容C24和三极管Q3的集电极和电阻R25的一端，电容C24的另一端连接瞬态抑制二极管D6；Q3的发射极连接三极管Q8，基极连接三极管Q5，电阻R25的另一端连接Q8的基极，Q8的集电极连接二极管D4；Q5的基极连接电阻R32，发射极连接电阻R36和Q8的集电极，电阻R32的另一端连接二极管D8，D8的另一端连接三极管Q4的集电极，基极连接电阻R30和电阻R33，Q4的发射极连接电容C18和三极管Q21，电阻R33连接三极管Q7的集电极，Q7的基极连接电阻R35，电阻R35连接PWM信号端；Q21的集电极连接电源输入和电阻R20，Q21的基极连接电阻R20的另一端和稳压管D3。
优选地，所述负载供电切换电路为以下电路结构：
运算放大器U5A负极端连接电阻R18和电阻R21，正极端连接电阻R27、电阻R24、电阻R23以及三极管Q6的集电极，输出端连接二极管D7，D7的另一端连接电阻R27的另一端，Q6的基极连接电阻R34，发射极接地；运算放大器U5B的负极端连接电阻R26和电阻R22，正极端连接电阻R29，电阻R29的另一端连接电阻R28和电容C20，电阻R22另一端连接U5B的输出端，U5B的输出端还连接有电容C19和电阻R23。
优选地，所述信号采集单元的电路结构如下：
所述地波传感器采用5V输入电压，具有模拟量和TTL电平双信号输出，具有四个引脚，分别为VCC、GND、AO以及DO，其中VCC和GND直接接蓄电池的正负极，AO为模拟量输出，接到模数转换模块ADC0804芯片模拟量输入端，DO为TTL电平输出，接到单片机P2.0引脚；模数转换模块ADC0804芯片对模拟量进行转换成数字量后，发送至单片机P0引脚。
优选地，所述同步单元采用STM32F107微控制芯片，授时服务器作为主节点，各个微振动监测模块作为从节点，微振动监测模块与授时服务器进行时钟同步信息的交换。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明提出了一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，通过设置光伏组件、地波传感器以及微振动监测模块，利用光伏组件为采集装置进行供电，将地波传感器探测到的地波数据经微振动监测模块进行处理，从而实现基于光伏电池对于地波的无线探测。当光照充足时，光伏电池板将太阳能转化为电能，利用光伏充放电路为负载进行供电，并将收集到的多余的电量同时为蓄电池进行充电，当蓄电池充满后，通过光伏充放电路自动停止充电过程；当处于阴雨天气或夜晚等光照不足的情况时，太阳能不足，可以通过负载供电切换单元将负载供电切换为蓄电池供电，从而避免了反复回收电池进行充电的繁琐操作，节省人力，且无需担心电池续航问题，方便数据采集，提高了地波数据采集效率。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于光伏电池的地波微振动采集装置整体结构示意图；
图2为本发明实施例中所提供的一种光伏充放电路结构图；
图3为本发明实施例中所提供的一种负载供电切换电路结构图；
图4为本发明实施例中所提供的一种地波传感器机构示意图；
图5为本发明实施例中所提供的一种信号采集单元电路结构图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于光伏电池的地波微振动采集装置进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，所述装置包括：
光伏组件、蓄电池、地波传感器以及微振动监测模块；
所述地波传感器与微振动监测模块连接，所述光伏组件分别连接蓄电池和微振动监测模块，所述蓄电池为地波传感器以及微振动监测模块供电；
所述光伏组件包括光伏电池板以及光伏充放电管理电路，所述充放电管理电路包括光伏充放电路以及负载供电切换电路，所述光伏充放电路控制蓄电池的充放电，所述负载供电切换电路控制负载供电的切换。
本发明采用光伏组件对地波微振动采集装置进行供电，当光照充足时，光伏电池板将太阳能转化为电能，利用光伏充放电路为负载进行供电，并将收集到的多余的电量同时为蓄电池进行充电，当蓄电池充满后，通过光伏充放电路自动停止充电过程；当处于阴雨天气或夜晚等光照不足的情况时，太阳能不足，可以通过负载供电切换单元将负载供电切换为蓄电池供电。
如图2所示，所述光伏充放电路为以下电路结构：
Power端连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接二极管D4和电阻R16，电阻R16的另一端连接电阻R17、二极管D5、电容C16以及太阳能电源，电阻R17、二极管D5以及电容C16的另一端接地；Power In输入端连接电阻R54和三极管Q22的集电极，电阻R54的另一端连接Q22的基极和稳压管D9的一端，Q22的发射极连接电容C24和三极管Q3的集电极和电阻R25的一端，电容C24的另一端连接瞬态抑制二极管D6；Q3的发射极连接三极管Q8，基极连接三极管Q5，电阻R25的另一端连接Q8的基极，Q8的集电极连接二极管D4；Q5的基极连接电阻R32，发射极连接电阻R36和Q8的集电极，电阻R32的另一端连接二极管D8，D8的另一端连接三极管Q4的集电极，基极连接电阻R30和电阻R33，Q4的发射极连接电容C18和三极管Q21，电阻R33连接三极管Q7的集电极，Q7的基极连接电阻R35，电阻R35连接PWM信号端；Q21的集电极连接电源输入和电阻R20，Q21的基极连接电阻R20的另一端和稳压管D3。
如图3所示，所述负载供电切换电路为以下电路结构：
运算放大器U5A负极端连接电阻R18和电阻R21，正极端连接电阻R27、电阻R24、电阻R23以及三极管Q6的集电极，输出端连接二极管D7，D7的另一端连接电阻R27的另一端，Q6的基极连接电阻R34，发射极接地；运算放大器U5B的负极端连接电阻R26和电阻R22，正极端连接电阻R29，电阻R29的另一端连接电阻R28和电容C20，电阻R22另一端连接U5B的输出端，U5B的输出端还连接有电容C19和电阻R23。
所述地波传感器采用电磁式速度传感器，如图4所示，其中，拾振器作为敏感元件，通过金属铰链与传感器主板连接，当外壳随地波微振动信号震动时，拾振器在惯性力的作用，拾振器产生相对金属线圈的速度，切割线圈磁场，将相应信号传输到传感器主板。
所述微振动监测模块包括信号采集单元、信号处理单元以及同步单元，所述信号采集单元用于对地波传感器接收到的地波信号进行模数转换，所述信号处理单元用于将地波数字信号以及时间戳存入数据缓冲存储区，所述同步单元用于实现各个微振动监测模块的时钟同步。
分布在各个监测区域的地波传感器将采集的地波信号以差分信号发送至微振动监测模块，通过信号采集单元进行数据的模数转换，采用AD模数转换芯片将地波信号转换成数字信号，其电路结构如图5所示：
所述地波传感器采用5V输入电压，具有模拟量和TTL电平双信号输出，具有四个引脚，分别为VCC、GND、AO以及DO，其中VCC和GND直接接蓄电池的正负极，AO为模拟量输出，接到模数转换模块ADC0804芯片模拟量输入端，DO为TTL电平输出，接到单片机P2.0引脚。模数转换模块ADC0804芯片对模拟量进行转换成数字量后，发送至单片机P0引脚。
在模数转换之后发送至信号处理单元，通过信号处理单元对AD模数转换芯片发送的数字信号进行处理，所述信号处理单元采用单片机芯片实现，所述单片机采用STC89C52RC单片机。将地波数字信号存入数据缓冲存储区，并将其采集对应的时间值作为时间戳一起存入数据缓冲存储区。
所述同步单元采用STM32F107微控制芯片，通过网络与远端的授时服务器通信，实现基于IEEE1588协议的网络时钟同步。授时服务器作为主节点，各个微振动监测模块作为从节点，微振动监测模块与授时服务器进行时钟同步信息的交换，从而实现时钟同步。
本发明实施例提出了一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，通过设置光伏组件、地波传感器以及微振动监测模块，利用光伏组件为采集装置进行供电，将地波传感器探测到的地波数据经微振动监测模块进行处理，从而实现基于光伏电池对于地波的无线探测。当光照充足时，光伏电池板将太阳能转化为电能，利用光伏充放电路为负载进行供电，并将收集到的多余的电量同时为蓄电池进行充电，当蓄电池充满后，通过光伏充放电路自动停止充电过程；当处于阴雨天气或夜晚等光照不足的情况时，太阳能不足，可以通过负载供电切换单元将负载供电切换为蓄电池供电，从而避免了反复回收电池进行充电的繁琐操作，节省人力，且无需担心电池续航问题，方便数据采集，提高了地波数据采集效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，其特征在于，所述装置包括：
光伏组件、蓄电池、地波传感器以及微振动监测模块；
所述地波传感器与微振动监测模块连接，所述光伏组件分别连接蓄电池和微振动监测模块，所述蓄电池为地波传感器以及微振动监测模块供电；
所述光伏组件包括光伏电池板以及光伏充放电管理电路，所述充放电管理电路包括光伏充放电路以及负载供电切换电路，所述光伏充放电路，用于为负载进行供电，同时使用收集到的多余电量为所述蓄电池进行充电，当所述蓄电池充满后，自动停止充电过程，并控制所述蓄电池的充放电，所述负载供电切换电路控制负载供电的切换；
所述负载供电切换电路为以下电路结构：
运算放大器U5A负极端连接电阻R18的一端和电阻R21的一端，运算放大器U5A的正极端连接电阻R27的一端、电阻R24的一端、电阻R23的一端以及三极管Q6的集电极，运算放大器U5A的输出端连接二极管D7的一端，D7的另一端连接电阻R27的另一端，R18的另一端与电源连接，R21的另一端接地，R24的另一端接地，Q6的基极连接电阻R34的一端，电阻R34的另一端与Unlock解锁端连接，Q6的发射极接地；运算放大器U5B的负极端连接电阻R26的一端和电阻R22的一端，R26的另一端接地，运算放大器U5B的正极端连接电阻R29的一端，电阻R29的另一端连接电阻R28的一端和电容C20的一端，R28的另一端连接所述地波微振动采集装置，C20的另一端连接接地，电阻R22另一端连接U5B的输出端，U5B的输出端还连接有电容C19的一端和电阻R23的另一端，C19的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，其特征在于，所述光伏充放电路为以下电路结构：
Power端连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接二极管D4的一端和电阻R16的一端，电阻R16的另一端连接电阻R17的一端、二极管D5的一端、电容C16的一端以及太阳能电源，电阻R17的另一端、二极管D5的另一端以及电容C16的另一端接地；Power In输入端连接电阻R54的一端和三极管Q22的集电极，电阻R54的另一端连接Q22的基极和稳压管D9的一端，Q22的发射极连接电容C24的一端、三极管Q3的集电极和电阻R25的一端，电容C24的另一端连接瞬态抑制二极管D6的一端及D9的另一端； D6的另一端与Power端连接；Q3的发射极连接三极管Q8的发射极，Q3基极连接三极管Q5的集电极，电阻R25的另一端连接Q8的基极，Q8的集电极连接二极管D4的另一端；Q5的发射极连接电阻R36的一端和Q8的集电极，Q5的基极连接电阻R32的一端和R36的另一端，R32的另一端连接二极管D8的一端，D8的另一端连接三极管Q4的集电极，Q4基极连接电阻R30的一端和电阻R33的一端，Q4的发射极连接电容C18的一端、电阻R30的另一端和三极管Q21的发射极，电阻R33的另一端连接三极管Q7的集电极，Q7的基极连接电阻R35的一端，Q7的发射极接地，电阻R35的另一端连接PWM信号端；Q21的集电极连接电源输入和电阻R20的一端，三极管Q21的基极连接电阻R20的另一端和稳压管D3的一端，D3的另一端连接C18的另一端。
3.根据权利要求1所述的一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，其特征在于，所述微振动监测模块包括信号采集单元，所述信号采集单元的电路结构如下：
所述地波传感器采用5V输入电压，具有模拟量和TTL电平双信号输出，具有四个引脚，分别为VCC、GND、AO以及DO，其中VCC直接与蓄电池的正极连接，GND直接与所述蓄电池的负极连接，AO为模拟量输出，接到模数转换模块ADC0804芯片模拟量输入端，DO为TTL电平输出，接到单片机P2.0引脚；模数转换模块ADC0804芯片对模拟量进行转换成数字量后，发送至单片机P0引脚。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于光伏电池的地波微振动采集装置，其特征在于，所述微振动监测模块还包括同步单元，所述同步单元采用STM32F107微控制芯片，授时服务器作为主节点，各个微振动监测模块作为从节点，微振动监测模块与授时服务器进行时钟同步信息的交换。
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