CN204349448U - 应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，所述防雷保护模块包括：连接所述外部电源和内部供电电路，用于对外部电源进行电压变换，以及对变换后得到的电压实现浪涌吸收和过电压保护后传输给内部供电电路的主电源保护电路；连接所述传感器阵列和控制器，用于对传感器阵列输出端与控制器之间的连接电路进行隔离、以及对传感器阵列的输出信号进行杂波过滤的信号隔离传输电路；连接所述上位机和通讯接口，用于对上位机与通讯接口之间传输的信号进行干扰抑制或消除的通讯保护电路；本实用新型增强了农业自动化灌溉系统的安全性与可靠性，有效避免雷击对灌溉设备的损害，利于农业自动化灌溉系统的推广。

Description

应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块

技术领域

本实用新型涉及一种防雷保护模块，具体为一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块。

背景技术

我国农业正处在从传统农业向现代化农业转变的历史性时期；现代化农业对土壤水分、空气温度、湿度等作物生长的环境参数要求更高，同时对灌溉时间、灌水量、灌水部位、以及水肥营养供给等操作的要求也更精确，因此传统的灌溉技术是无法满足上述要求的，必须依靠农业自动化灌溉系统才能实现，农业自动化灌溉系统是将自动控制与灌溉技术有机结合的系统，能够在无人干预和水量精确控制的情况下，实现自动灌溉；由于农业自动化灌溉系统通常在野外使用和工作，随着其不断推广，人们发现雷电容易对农业自动化灌溉系统的内部设备造成损害，如何提供一种能够有效防止雷击的防雷保护模块，来提高农业自动化灌溉系统对恶劣的自然环境的适应性，目前现有技术中尚未存在有效的解决方案。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块。

本实用新型的技术方案是：

一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，所述农业自动化灌溉系统与外部电源、具有多个传感器的传感器阵列和上位机相连接；所述农业自动化灌溉系统包括给灌溉设备提供工作电源的内部供电电路、控制灌溉设备工作状态的控制器、以及通讯接口；所述防雷保护模块包括：

连接所述外部电源和内部供电电路，用于对外部电源进行电压变换，以及对变换后得到的电压实现浪涌吸收和过电压保护后传输给内部供电电路的主电源保护电路；

连接所述传感器阵列和控制器，用于对传感器阵列输出端与控制器之间的连接电路进行隔离、以及对传感器阵列的输出信号进行杂波过滤的信号隔离传输电路；

连接所述上位机和通讯接口，用于对上位机与通讯接口之间传输的信号进行干扰抑制或消除的通讯保护电路；

连接主电源保护电路、信号隔离传输电路和通讯保护电路，用于对主电源保护电路输出电压进行变换后得到电源V1、电源V2和电源V3给信号隔离传输电路和通讯保护电路供电的电源转换电路；电源V1、电源V2和电源V3不共地；

进一步地，所述主电源保护电路包括：输入端L、输入端N、保险丝F、电容C1、变压器T1、电容C2、电容C3、电容C4、压敏电阻Rv1、压敏电阻Rv2、压敏电阻Rv3、输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L通过保险丝F与变压器T1初级线圈一端连接，所述变压器T1初级线圈另一端连接输入端N；所述变压器T1初级线圈两端并联接有电容C1；所述变压器T1次级线圈两端并联接有电容C2和压敏电阻Rv2；所述电容C2一端经由电容C3接地，另一端经由电容C4接地；所述压敏电阻Rv2一端经由压敏电阻Rv1接地，另一端经由压敏电阻Rv3接地；所述压敏电阻Rv2两端分别连接输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L和输入端N与所述外部电源相连接；所述输出端AC1和输出端AC2与所述内部供电电路相连接；

进一步地，所述信号隔离传输电路包括：模拟开关U6、与模拟开关U6的输入端引脚IN0-IN7分别连接的各隔离支路；各隔离支路的电路结构相同；所述模拟开关U6的地址端引脚A、B和C均连接所述控制器；连接模拟开关U6的输入端引脚IN0的隔离支路包括：电阻R4、电阻R2、电位器W1和电压跟随器U4；所述电阻R4一端与一传感器的第一输出端相连接，该传感器的第二输出端连接所述电位器W1的一固定端；所述电阻R4另一端连接所述电位器W1的可调端，并经由电阻R2连接所述电压跟随器U4的同相输入端；所述电压跟随器U4的输出端连接所述模拟开关U6的输入端引脚IN0；

进一步地，所述通讯保护电路包括：电阻R7、二极管D1、光电耦合器U6、电阻R8、电阻R9、开关管Q1、二极管D2、稳压二极管D3、二极管D4、电阻R10、光电耦合器U7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电压比较器U8和电阻R15；光电耦合器U6具有的发光二极管的阳极通过电阻R7连接上位机，并通过二极管D1连接电源V3正极；所述光电耦合器U6具有的发光二极管的阴极连接电源V3地；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的发射极通过电阻R9连接电源V2地，并通过电阻R8连接开关管Q1的栅极；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的集电极连接开关管Q1的漏极，并通过二极管D2连接电源V2正极；所述稳压二极管D3反向并联接在所述开关管Q1的漏极和源极之间；所述开关管Q1的源极连接电源V2地；所述开关管Q1的漏极连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阳极连接电源V2正极；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阴极经由相互串联的电阻R10和二极管D4连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的发射极连接电源V3地；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的集电极通过电阻R11连接电源V3正极，并通过电阻R12连接所述电压比较器U8的反相输入端；所述电阻R13和电阻R14相互串联接在电源V3正极和电源V3地之间构成分压支路，该分压支路的分压点连接所述电压比较器U8的同相输入端；所述电压比较器U8的输出端通过电阻R15连接电源V3正极，并连接上位机；

进一步地，所述电源转换电路包括提供电源V1的第一电源转换电路、提供电源V2的第二电源转换电路、提供电源V3的第三电源转换电路；

所述第一电源转换电路包括整流桥BR1和三端稳压芯片U1；所述整流桥BR1的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR1的直流输出端连接所述三端稳压芯片U1的输入端；所述三端稳压芯片U1的输出端经由阻容滤波电路后提供电源V1；

所述第二电源转换电路包括整流桥BR2和三端稳压芯片U2；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U2的输入端；所述三端稳压芯片U2的输出端提供电源V2；

所述第三电源转换电路包括整流桥BR3和三端稳压芯片U3；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U3的输入端；所述三端稳压芯片U3的输出端提供电源V3；

进一步地，所述模拟开关U6采用CD4051芯片；

进一步地，所述电源V1给所述信号隔离传输电路供电。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，通过主电源保护电路、信号隔离传输电路和通讯保护电路的设置，对农业灌溉设备实现全方位、重点部位多层次的防雷击保护，增强了农业自动化灌溉系统的安全性与可靠性，有效避免雷击对灌溉设备的损害，利于农业自动化灌溉系统的推广。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型所述主电源保护电路的电路原理图；

图3是本实用新型所述电源转换电路的电路原理图；

图4是本实用新型所述信号隔离传输电路的电路原理图；

图5是本实用新型所述通讯保护电路的电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图5所示的一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，所述农业自动化灌溉系统与外部电源、具有多个传感器的传感器阵列和上位机相连接；所述农业自动化灌溉系统包括给灌溉设备提供工作电源的内部供电电路、控制灌溉设备工作状态的控制器、以及通讯接口；所述防雷保护模块包括：连接所述外部电源和内部供电电路，用于对外部电源进行电压变换，以及对变换后得到的电压实现浪涌吸收和过电压保护后传输给内部供电电路的主电源保护电路；连接所述传感器阵列和控制器，用于对传感器阵列输出端与控制器之间的连接电路进行隔离、以及对传感器阵列的输出信号进行杂波过滤的信号隔离传输电路；连接所述上位机和通讯接口，用于对上位机与通讯接口之间传输的信号进行干扰抑制或消除的通讯保护电路；连接主电源保护电路、信号隔离传输电路和通讯保护电路，用于对主电源保护电路输出电压进行变换后得到电源V1、电源V2和电源V3给信号隔离传输电路和通讯保护电路供电的电源转换电路；电源V1、电源V2和电源V3不共地；进一步地，所述主电源保护电路包括：输入端L、输入端N、保险丝F、电容C1、变压器T1、电容C2、电容C3、电容C4、压敏电阻Rv1、压敏电阻Rv2、压敏电阻Rv3、输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L通过保险丝F与变压器T1初级线圈一端连接，所述变压器T1初级线圈另一端连接输入端N；所述变压器T1初级线圈两端并联接有电容C1；所述变压器T1次级线圈两端并联接有电容C2和压敏电阻Rv2；所述电容C2一端经由电容C3接地，另一端经由电容C4接地；所述压敏电阻Rv2一端经由压敏电阻Rv1接地，另一端经由压敏电阻Rv3接地；所述压敏电阻Rv2两端分别连接输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L和输入端N与所述外部电源相连接；所述输出端AC1和输出端AC2与所述内部供电电路相连接；进一步地，所述信号隔离传输电路包括：模拟开关U6、与模拟开关U6的输入端引脚IN0-IN7分别连接的各隔离支路；各隔离支路的电路结构相同；所述模拟开关U6的地址端引脚A、B和C均连接所述控制器；连接模拟开关U6的输入端引脚IN0的隔离支路包括：电阻R4、电阻R2、电位器W1和电压跟随器U4；所述电阻R4一端与一传感器的第一输出端相连接，该传感器的第二输出端连接所述电位器W1的一固定端；所述电阻R4另一端连接所述电位器W1的可调端，并经由电阻R2连接所述电压跟随器U4的同相输入端；所述电压跟随器U4的输出端连接所述模拟开关U6的输入端引脚IN0；进一步地，所述通讯保护电路包括：电阻R7、二极管D1、光电耦合器U6、电阻R8、电阻R9、开关管Q1、二极管D2、稳压二极管D3、二极管D4、电阻R10、光电耦合器U7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电压比较器U8和电阻R15；光电耦合器U6具有的发光二极管的阳极通过电阻R7连接上位机，并通过二极管D1连接电源V3正极；所述光电耦合器U6具有的发光二极管的阴极连接电源V3地；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的发射极通过电阻R9连接电源V2地，并通过电阻R8连接开关管Q1的栅极；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的集电极连接开关管Q1的漏极，并通过二极管D2连接电源V2正极；所述稳压二极管D3反向并联接在所述开关管Q1的漏极和源极之间；所述开关管Q1的源极连接电源V2地；所述开关管Q1的漏极连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阳极连接电源V2正极；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阴极经由相互串联的电阻R10和二极管D4连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的发射极连接电源V3地；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的集电极通过电阻R11连接电源V3正极，并通过电阻R12连接所述电压比较器U8的反相输入端；所述电阻R13和电阻R14相互串联接在电源V3正极和电源V3地之间构成分压支路，该分压支路的分压点连接所述电压比较器U8的同相输入端；所述电压比较器U8的输出端通过电阻R15连接电源V3正极，并连接上位机；进一步地，所述电源转换电路包括提供电源V1的第一电源转换电路、提供电源V2的第二电源转换电路、提供电源V3的第三电源转换电路；所述第一电源转换电路包括整流桥BR1和三端稳压芯片U1；所述整流桥BR1的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR1的直流输出端连接所述三端稳压芯片U1的输入端；所述三端稳压芯片U1的输出端经由阻容滤波电路后提供电源V1；所述第二电源转换电路包括整流桥BR2和三端稳压芯片U2；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U2的输入端；所述三端稳压芯片U2的输出端提供电源V2；所述第三电源转换电路包括整流桥BR3和三端稳压芯片U3；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U3的输入端；所述三端稳压芯片U3的输出端提供电源V3；进一步地，所述模拟开关U6采用CD4051芯片；进一步地，所述电源V1给所述信号隔离传输电路供电；电源V3正极和地之间接有电容C17；所述电压跟随器U4的同相输入端通过电容C15连接电源V1地；所述模拟开关U6的引脚VDD连接电源V1正极；所述上位机与农业自动化灌溉系统的通讯接口通过RS232通讯方式进行通讯，即通讯保护电路与上位机的RS232接口连接；所述电压比较器U8采用LM311；图4中的JM1和JM2为跳线。

大多数系统发生雷击的原因是由于主电源部分被雷击中，虽然主电源部分能够承受住雷击，但产生的浪涌电流会沿着电源线传导到系统的其它部分，因此需要有效的吸收浪涌电流和防止过电压；主电源保护电路中的变压器T1对输入端L和输入端N输入的电压进行电压变换，并通过电容C2、电容3和电容C4构成的滤波电路，以及压敏电阻Rv1、压敏电阻Rv2和压敏电阻Rv3构成的过压保护电路来吸收雷击时的浪涌电流和有效防止过电压；传感器阵列包括多个用于采集农作物生长情况信息等的传感器，传感器输出信号通常为模拟信号，极易受到雷击的干扰，通过各隔离支路中的电压跟随器的设置能够起到隔离的作用，过滤掉传感器输出信号上耦合的杂波和干扰信号；模拟开关能够根据农业自动化灌溉系统的控制器给出的地址选通不同的传感器信号；通讯保护电路通过光电隔离电路，以光为媒介传送信号，实现农业自动化灌溉系统与上位机之间收发数据的电气隔离，能够有效地抑制系统噪声，消除干扰。

本实用新型通过对野外工作的农业自动化灌溉系统的遭受雷击情况的全面分析后，而形成对整个农业自动化灌溉系统进行全面防护的技术方案，针对农业自动化灌溉系统各组成部分的工作特点及受雷击方式，设计了本实用新型的防雷系统，通过主电源保护电路、信号隔离传输电路和通讯保护电路的设置，对农业灌溉设备实现全方位、重点部位多层次的防雷击保护，增强了农业自动化灌溉系统的安全性与可靠性，有效避免雷击对灌溉设备的损害，利于农业自动化灌溉系统的推广。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，所述农业自动化灌溉系统与外部电源、具有多个传感器的传感器阵列和上位机相连接；所述农业自动化灌溉系统包括给灌溉设备提供工作电源的内部供电电路、控制灌溉设备工作状态的控制器、以及通讯接口；其特征在于，所述防雷保护模块包括：

连接所述外部电源和内部供电电路，用于对外部电源进行电压变换，以及对变换后得到的电压实现浪涌吸收和过电压保护后传输给内部供电电路的主电源保护电路；

连接所述传感器阵列和控制器，用于对传感器阵列输出端与控制器之间的连接电路进行隔离、以及对传感器阵列的输出信号进行杂波过滤的信号隔离传输电路；

连接所述上位机和通讯接口，用于对上位机与通讯接口之间传输的信号进行干扰抑制或消除的通讯保护电路；

连接主电源保护电路、信号隔离传输电路和通讯保护电路，用于对主电源保护电路输出电压进行变换后得到电源V1、电源V2和电源V3给信号隔离传输电路和通讯保护电路供电的电源转换电路；电源V1、电源V2和电源V3不共地。

2.根据权利要求1所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述主电源保护电路包括：输入端L、输入端N、保险丝F、电容C1、变压器T1、电容C2、电容C3、电容C4、压敏电阻Rv1、压敏电阻Rv2、压敏电阻Rv3、输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L通过保险丝F与变压器T1初级线圈一端连接，所述变压器T1初级线圈另一端连接输入端N；所述变压器T1初级线圈两端并联接有电容C1；所述变压器T1次级线圈两端并联接有电容C2和压敏电阻Rv2；所述电容C2一端经由电容C3接地，另一端经由电容C4接地；所述压敏电阻Rv2一端经由压敏电阻Rv1接地，另一端经由压敏电阻Rv3接地；所述压敏电阻Rv2两端分别连接输出端AC1和输出端AC2；所述输入端L和输入端N与所述外部电源相连接；所述输出端AC1和输出端AC2与所述内部供电电路相连接。

3.根据权利要求1所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述信号隔离传输电路包括：模拟开关U6、与模拟开关U6的输入端引脚IN0-IN7分别连接的各隔离支路；各隔离支路的电路结构相同；所述模拟开关U6的地址端引脚A、B和C均连接所述控制器；连接模拟开关U6的输入端引脚IN0的隔离支路包括：电阻R4、电阻R2、电位器W1和电压跟随器U4；所述电阻R4一端与一传感器的第一输出端相连接，该传感器的第二输出端连接所述电位器W1的一固定端；所述电阻R4另一端连接所述电位器W1的可调端，并经由电阻R2连接所述电压跟随器U4的同相输入端；所述电压跟随器U4的输出端连接所述模拟开关U6的输入端引脚IN0。

4.根据权利要求1所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述通讯保护电路包括：电阻R7、二极管D1、光电耦合器U6、电阻R8、电阻R9、开关管Q1、二极管D2、稳压二极管D3、二极管D4、电阻R10、光电耦合器U7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电压比较器U8和电阻R15；光电耦合器U6具有的发光二极管的阳极通过电阻R7连接上位机，并通过二极管D1连接电源V3正极；所述光电耦合器U6具有的发光二极管的阴极连接电源V3地；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的发射极通过电阻R9连接电源V2地，并通过电阻R8连接开关管Q1的栅极；所述光电耦合器U6具有的光敏三极管的集电极连接开关管Q1的漏极，并通过二极管D2连接电源V2正极；所述稳压二极管D3反向并联接在所述开关管Q1的漏极和源极之间；所述开关管Q1的源极连接电源V2地；所述开关管Q1的漏极连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阳极连接电源V2正极；所述光电耦合器U7具有的发光二极管的阴极经由相互串联的电阻R10和二极管D4连接通讯接口；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的发射极连接电源V3地；所述光电耦合器U7具有的光敏三极管的集电极通过电阻R11连接电源V3正极，并通过电阻R12连接所述电压比较器U8的反相输入端；所述电阻R13和电阻R14相互串联接在电源V3正极和电源V3地之间构成分压支路，该分压支路的分压点连接所述电压比较器U8的同相输入端；所述电压比较器U8的输出端通过电阻R15连接电源V3正极，并连接上位机。

5.根据权利要求1所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述电源转换电路包括提供电源V1的第一电源转换电路、提供电源V2的第二电源转换电路、提供电源V3的第三电源转换电路；

所述第一电源转换电路包括整流桥BR1和三端稳压芯片U1；所述整流桥BR1的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR1的直流输出端连接所述三端稳压芯片U1的输入端；所述三端稳压芯片U1的输出端经由阻容滤波电路后提供电源V1；

所述第二电源转换电路包括整流桥BR2和三端稳压芯片U2；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U2的输入端；所述三端稳压芯片U2的输出端提供电源V2；

所述第三电源转换电路包括整流桥BR3和三端稳压芯片U3；所述整流桥BR2的交流输入端连接所述输出端AC1和输出端AC2；所述整流桥BR2的直流输出端连接所述三端稳压芯片U3的输入端；所述三端稳压芯片U3的输出端提供电源V3。

6.根据权利要求3所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述模拟开关U6采用CD4051芯片。

7.根据权利要求1所述的应用于农业自动化灌溉系统的防雷保护模块，其特征在于所述电源V1给所述信号隔离传输电路供电。