一种简易雷电波形记录仪的制作方法

1.本实用新型涉及雷电探测领域，具体涉及一种简易雷电波形记录仪。


背景技术：

2.多年来，国内外学者对雷电流采集进行了大量研究，有用磁钢棒测量法监测雷电流峰值等特征，有用阴极射线示波器记录了完整的雷电流波形，也有提出了磁带法测量雷电流，这些方法成功监测雷电流特征，为分析雷击事故提供了宝贵数据。
3.但是这些方法普遍存在误差大、成本高、安装使用不方便等缺点，后来普遍使用罗氏线圈作为电流传感器采集雷电流，为提高采集精度，研究者们对采集电路和采集数据进行了大量改进和优化。提高了计数准确率但是硬件电路缺乏灵活性，在雷电计数上仍有一定误差；很难准确将雷电的整体数据记录下来供分析研究，且雷电记录时由于雷电时间间隔太短，容易覆盖前面的数据，造成数据丢失。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种简易雷电波形记录仪，以解决上述背景技术中提到的问题。
5.一种简易雷电波形记录仪，包括信号采集模块、供电装置、mcu处理器模块以及4g通信模块，所述信号采集模块包括接闪杆以及罗氏线圈，所述罗氏线圈为一种空心环形的线圈，所述罗氏线圈套设且固定在接闪杆的外侧，所述罗氏线圈的输出端通过信号调理电路与mcu处理器模块连接，所述mcu处理器模块通过供电装置实现供电，所述mcu处理器模块的uart1串口与4g模块连接，用于将处理器处理后的雷电数据传输给4g模块，并通过4g模块发送至云端服务器。
6.优选的，所述mcu处理器模块内部设有adc模数转换电路以及dma电路，所述adc模数转换电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，所述dma 电路与adc模数转换电路连接，所述dma电路将adc模数转换电路得到的雷电数据搬运至mcu控制器的数据储存区供mcu处理器判断处理。
7.优选的，所述信号调理电路包括电阻分压电路、信号放大电路以及加法运算电路，所述电阻分压电路用于将罗氏线圈中的感应电压缩小转化为-1.25v至 +1.25v的低电压，所述信号放大电路采用电压跟随器来增强信号的驱动能力，所述加法运算电路用于将负电压1.25v抬升为0v，并与+1.25v叠加。
8.优选的，所述供电装置包括锂电池、太阳能板以及充电管理模块，所述太阳能板通过充电管理模块与锂电池连接，所述充电管理模块通过mcu处理器模块控制，所述锂电池还通过充电管理模块与ac-dc降压模块的输出端连接，所述 ac-dc降压模块的输入端与市电连接。
9.优选的，所述mcu处理器模块的通信总线iic还连接有时钟芯片，所述时钟芯片通过后备电池供电。
10.优选的，所述4g通信模块还与发射天线连接。
11.本实用新型的优点在于：给接闪杆的外侧套设罗氏线圈，在雷电击中接闪杆的时候在线圈中产生感应电流，通过一系列的信号调理电路减少雷电数据失真的情况，将雷电的波形信息准确的通过adc电路与dmc电路传输给处理器进行判断处理，避免记录出错。
12.利用4g模块将处理器uart1串口的数据传输给云端服务器，有利于实时监测一定区域的雷电情况。
13.增加时钟芯片，在记录雷电波形的同时，记录时间，可以给研究人员提供更完整细致的雷电数据。
14.设置flag作为数据区是否存过数据的判断依据，避免数据覆盖。
附图说明
15.图1为本实用新型的系统框图。
16.图2为信号采集以及信号调理部分的层次框图。
17.图3为信号采集与调理的部分设计电路原理框图。
18.图4为mcu处理器中的雷电数字信号判断处理的流程图。
具体实施方式
19.为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
20.一种简易雷电波形记录仪，包括信号采集模块、供电装置、mcu处理器模块以及4g通信模块，所述信号采集模块包括接闪杆以及罗氏线圈，所述罗氏线圈为一种空心环形的线圈，所述罗氏线圈套设且固定在接闪杆的外侧，所述罗氏线圈的输出端通过信号调理电路与mcu处理器模块连接，所述mcu处理器模块通过供电装置实现供电，所述mcu处理器模块的uart1串口与4g模块连接，用于将处理器处理后的雷电数据传输给4g模块，并通过4g模块发送至云端服务器。通过4g模块将数据发送至云端服务器，有利于实时检测一定区域内所有雷电数据，方便研究人员能够获取到更多的雷电数据。
21.优选的，所述mcu处理器模块内部设有adc模数转换电路以及dma电路，所述adc模数转换电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，所述dma 电路与adc模数转换电路连接，所述dma电路将adc模数转换电路得到的雷电数据搬运至mcu控制器的数据储存区供mcu处理器判断处理。
22.优选的，所述信号调理电路包括电阻分压电路、信号放大电路以及加法运算电路，所述电阻分压电路用于将罗氏线圈中的感应电压缩小转化为-1.25v至 +1.25v的低电压，所述信号放大电路采用电压跟随器来增强信号的驱动能力，所述加法运算电路用于将负电压1.25v抬升为0v，并与+1.25v叠加。信号调理电路通过一系列的降压、信号增强以及负电压抬升将高压的雷电电流转化到 adc模数转化器的电压工作范围以最大程度的保证雷电信号不失真，从而获取准确的雷电波形。
23.优选的，所述供电装置包括锂电池、太阳能板以及充电管理模块，所述太阳能板通过充电管理模块与锂电池连接，所述充电管理模块通过mcu处理器模块控制，所述锂电池还通过充电管理模块与ac-dc降压模块的输出端连接，所述 ac-dc降压模块的输入端与市电
连接。锂电池采用太阳能板与市电两种充电方式，以满足记录仪在不同安装位置的供电需求。
24.优选的，所述mcu处理器模块的通信总线iic还连接有时钟芯片，所述时钟芯片通过后备电池供电。时钟芯片给该记录仪提供了时间记录的功能，方便获得更全面的雷电数据
25.优选的，所述4g通信模块还与发射天线连接。发射天线用于增大4g通信模块的发射范围，使得云端服务器可以接收更大范围内的雷电数据。
26.工作过程及其原理：
27.供电电源部分正常工作时，智能雷电监测仪系统就处于正常工作状态。当闪电击中接闪杆时，接闪杆上就有雷电流通过。此时，罗氏线圈就会产生感应电压，感应电压通过信号调理电路的处理后，经adc电路进一步处理送至mcu处理器。mcu处理器从而判断雷电流数据是否真实有效。若数据有效，mcu处理器会自动把数据进行处理，并装载到协议中，通过4g模块发送至云端服务器。
28.1、供电部分
29.智能雷电监测仪供电装置采用锂电池充电储存供电。为了方便智能雷电监测仪在各个地方都能够安装使用。在设计中，锂电池的充电方式共设计了2种模式。一种为市电220v供电，一种为太阳能电池供电。
30.当为市电220v供锂电池充电时，电路中通过继电器切换优先使用该模式供电。
31.锂电池充电电路采用专用芯片设计，充电状态可以得到很好地管理。同时该芯片状态和控制管脚与mcu接通，mcu可以获取锂电池当前充电状态。
32.2、雷电流信号采集处理部分
33.信号调理电路包括了电阻分压电路、信号幅度放大电路、加法运算电路。
34.(1)罗氏线圈感应采集数据信号电路设计原理：
35.罗氏线圈通过雷电流在-100ka至+100ka之间时所对应的感应电压为-20v 至+20v，它为雷电流信号采集传感器。当闪电击中接闪杆时，接闪杆(须接大地)上就有雷电流通过。此时，罗氏线圈作为一种空心环形的线圈，直接套在接闪杆上进行测量。接闪杆上流过的交流电流会在接闪杆周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变比成比例的电压信号。因此，在设计中利用罗氏线圈把-100ka至+100ka的雷电流转化为-20v至+20v电压信号。
36.(2)电阻分压电路设计原理：
37.通常情况下mcu处理器判断处理信号的前提是要完成adc采样，而完成 adc采样的电压范围在0—2.5v之间。但罗氏线圈工作电压在-20v至+20v之间。因此，为了适应mcu处理器判断处理数据的需要，把罗氏线圈感应电压先缩小为16倍，即在-1.25v至+1.25v之间。采用电阻分压电路来实现电压缩小。
38.(3)信号幅度放大电路设计原理：
39.通常情况下，电压降低后，信号幅度也就降低了，同时信号的驱动能力也变弱了，设计中采用电压跟随器来完成信号的驱动的增强。
40.(4)加法运算电路(电压抬升)设计原理：
41.完成采样是mcu处理器判断处理信号的前提，这样以来就需要把负电压 1.25v进
行抬升为0v(叠加1.25v)。因此，在设计中采用运算放大电路来实现，即加法器电路来得到adc采样电压范围在0—2.5v，这样就能采样
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100ka到+100ka的雷电流了。
42.模拟信号调理电路将罗氏线圈产生感应采集到的信号处理完后将通过mcu 处理器内部adc(将调理后的模拟信号转化为数字信号)电路做处理后经dmc 电路搬运数据至数据缓存，供mcu处理器判断并处理。
43.(5)雷电流数字信号判断处理部分的设计原理：
44.由于雷电流典型波形为8/20us波形，速度是微秒级别的。因此采样速度不能低于1msps。按照1msps的速度对雷电流波形时时不间断采样，而后通过dma 将采样数据搬运至缓存，mcu时时读取缓存数据并对数据做相应判断(判断流程如图4所示)，一旦判断为有效雷电流(这里将雷电流≥5ka设计为有效数据，避免其他电流干扰造成误采集的情况)，立刻将数据存储至数据存储区，为防止雷电流时间间隔太短而覆盖前面数据，这里设置flag作为数据区是否存过数据的判断依据，数据区如果存过数据处理器获取flag＝1这一信号，则将数据存到另一个储存区，故开僻1-4号数据缓存区。
45.至此雷电流数字信号判断处理完成的同时，整个采集工作也完成了。
46.3、数据处理的流程如下:
47.首先获取雷电流采样数据，然后按照通讯协议格式，将数据组装至协议帧中。同时，为了知道雷击时刻，故外部设计了时钟芯片，当获取到雷击电流有效数据后，也同时读取缓存时间数据。
48.采集存储的数据最终要被传输至服务器端，通过4g模块搭建无线传输平台。一旦1-4号数据缓存区中有新的数据被传入，mcu会立刻按照通讯协议格式将缓存的雷电数据和相应的时间数据装入协议缓存区，通过uart1发送至4g模块，4g模块通过发射天线将数据发送至指定的服务器。
49.由于智能雷电监测仪是采用锂电池储存供电，因此4g模块平时都处于待机节能状态。当要发送数据时会唤醒该模块，数据发送完毕后会立刻进入待机状态以到达节能目的。
50.基于上述：该记录仪通过一系列的信号调理能够很大程度的保证获取的雷电的波形准确不失真，并通过处理器处理判断实现对雷电波形的无覆盖储存，最后通过4g通信模块传输到云端服务器进行储存分析。
51.由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。