雷電記錄儀的製作方法

2023-05-28 08:08:16

專利名稱：雷電記錄儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷電記錄儀。
背景技術：
我國是雷電災害頻發的國家。隨著電子化、信息化的發展，大量計算機、交換機等 電子設備廣泛應用於人們的生活，這些電子設備耐受電壓低，很容易受到雷電流的侵害。雖 然避雷針已經廣泛應用，但避雷針只能防護直擊雷，對由直擊雷感應而生的浪湧並無任何 防護功能。隨著人們對浪湧防護要求的提高，人們意識到需要記錄各種浪湧的強度和發生 時間次數，只有準確記錄浪湧的強度和發生時間、次數等關鍵數據，才可以對雷電特性進行 研究分析的工作，如對不同緯度、地形、地貌、氣象的地區的雷電流幅值概率進行統計分析。 鑑於此，人們迫切需要一種能夠準確記錄因直擊雷感應而產生的浪湧強度和發生時間以及 次數的設備。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種雷電記錄儀，以解決無法準確記錄因 直擊雷感應而產生的浪湧強度和發生時間以及次數等問題。為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種雷電記錄儀，包括保護電路、峰值 保持電路、幅值變換電路、A/D觸發電路、洩放電路、單片機、時鐘電路、液晶顯示裝置和供電 電路；其中，所述保護電路，用於與雷電電流輸入端和大地相連，將超強雷電流洩放入地；所述峰值保持電路，包括有積分電路，用於與雷電電流輸入端、洩放電路、單片機 和供電電路相連，接收雷電電流進行處理後，發送給單片機；所述幅值變換電路，用於與雷電電流輸入端、A/D觸發電路和供電電路相連，接收 雷電電流並等效為弱電流，發送給A/D觸發電路；所述A/D觸發電路，用於與所述幅值變換電路、單片機和供電電路相連，接收所述 幅值變換電路發送的弱電流後，觸發所述單片機中斷及A/D轉換；所述洩放電路，用於與所述積分電路、單片機和供電電路相連；所述單片機，用於與所述峰值保持電路、A/D觸發電路、液晶顯示裝置、時鐘電路 和供電電路相連，接收A/D觸發電路發送的中斷信號以及峰值保護電路發送的雷電電流信 號，進行A/D轉換並進行分析，然後統計的雷電產生的次數、時間以及強度，並發送給所述 液晶顯示裝置；所述時鐘電路，用於與所述單片機和供電電路相連，發送時鐘信號給所述單片 機；所述液晶顯示裝置，用於與所述單片機和供電電路相連，接收所述單片機發送的 雷電產生的次數、時間以及強度進行顯示。本實用新型所述的雷電記錄儀，其中，所述雷電記錄儀還包括鍵盤，該鍵盤用於與所述單片機和供電電路相連。進一步地，其中，所述雷電記錄儀還包括所述數據存儲器，用於與所述單片機和 供電電路相連，接收並存儲所述單片機發送的雷電產生的次數、時間以及強度。進一步地，其中，所述A/D觸發電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、一個場 效應管和一個三極體；其中，所述第三電阻的一端連接所述場效應管的柵極，所述第二電阻 的一端連接電源，該第二電阻的另一端連接所述場效應管的漏極，所述三極體的集電極與 所述單片機相連接，所述場效應管的源極連接所述三極體的基極，所述三極體的發射極與 所述第一電阻的一端均接地。進一步地，其中，所述洩放電路包括第四電阻、第五電阻、一個場效應管以及一個 三極體；其中，所述第五電阻的一端連接所述峰值保持電路，該第五電阻的另一端連接所述 三極體的集電極，所述第四電阻的一端連接於所述單片機，該第四電阻的另一端連接於所 述場效應管的柵極上，該場效應管的源極連接於所述三極體的基極，該三極體的發射極接 地。進一步地，其中，所述供電電路包括第一供電電路和第二供電電路，其中，所述第一供電電路，用於與所述峰值保持電路、幅值變換電路、A/D觸發電路、洩放 電路、單片機、時鐘電路、數據存儲器、鍵盤相連；所述第二供電電路，用於與所述輸出裝置相連。進一步地，其中，所述時鐘電路採用型號為PCF8563時鐘晶片及其外圍元件連接 而成。進一步地，其中，所述數據存儲器採用型號為AT24C64的數據儲存器及其外圍元 件連接而成。進一步地，其中，所述單片機採用型號為MSP430F2112單片機及其外圍元件連接 而成。與現有技術相比，本實用新型能夠準確記錄因直擊雷感應而產生的浪湧強度和發 生時間以及次數。

圖1為本實用新型實施例1所述的雷電記錄儀的具體結構框圖；圖2為本實用新型實施例1中保護電路、峰值保持電路、幅值變換電路和A/D觸發 電路之間的電路連接圖；圖3為本實用新型實施例1中MCU和液晶顯示裝置的電路連接圖；圖4為本實用新型實施例1中洩放電路的電路圖；圖5為本實用新型實施例1中時鐘電路的電路圖；圖6為本實用新型實施例1中數據存儲器的電路圖；圖7為本實用新型實施例1中鍵盤的電路圖；圖8和9為本實用新型實施例1中兩個供電電路的電路圖。
具體實施方式
本實用新型的主要思想是解決無法準確記錄因直擊雷感應而產生的浪湧強度和發生時間以及次數等問題。以下對具體實施方式
進行詳細描述，但不作為對本實用新型的 限定。如圖1所示，為本實用新型實施例1所述的雷電記錄儀的具體結構框圖，包括保 護電路101、峰值保持電路102(該峰值保持電路102中包括一積分電路103)、幅值變換電 路104、A/D觸發電路105、洩放電路113,MCU(Microcontroller Unit，單片機)106、液晶顯 示裝置110、時鐘電路107、數據存儲器108、鍵盤109和兩個供電電路(第一供電電路111、 第二供電電路112)；其中，保護電路101，如圖3所示，該保護電路101包括電容C27與壓敏電阻R24 ；其中， 壓敏電阻R27主要起抑制浪湧電流、吸收尖峰脈衝的作用；C27、R24兩者均是一端接雷電電 流輸入端IN1，另一端接地，這樣，當前端採集的雷電電流超強時，其會經C27或者R24被洩 放入地，從而避免後續設備的破壞。峰值保持電路102，與雷電電流輸入端IN1、洩放電路113、單片機(MCU) 106以及第 一供電電路111相連接，如圖2所示，該峰值保持電路102中包括電流跟隨器TOA、TOB，二 極管D10、D5，電阻R27、R26以及電容C21，其中電流跟隨器TOA、U6B均選用型號為BU7442， 用於增加TOA、U6B之間的驅動能力，保證阻抗匹配。其中，U6A的同相端3腳經與一滑動電 阻VR2相連後與輸入端mi連接，U6A的反相端2腳與U6B的反相端6腳相連並且中間串聯 有電阻R27，U6A的輸出端1腳與TOB的同相端5腳相連並且中間串聯有穩壓管D10、電阻 R26，二極體D5的正極連接於U6A的輸出端2腳，負極與D10的負極相連，C21 一端連接在 U6B的同相端5腳，另一端接地。U6A的4腳接地，U6B的8腳連接供電電路111的VDD腳， U6B的輸出端7腳與隔離電阻R7連接，R7的另一端連接於單片機ANIN腳，隔離電阻的作用 是保護MCU的ADC輸出埠。該電路中，R26和C21組成了一個積分電路103，當線路中出 現雷電流時，積分電路103將對雷電流進行積分(充電)，將雷電流存儲在積分電容C21中， 當一個浪湧過後，C21就保留了浪湧電流對其充電的結果。本實施例1中，設置峰值保持電路的原因為因為前端採集到的電流變化很大而 且快，為測量電流值，必須採用峰值保持電路來保持雷電電流峰值以備後續電路的處理。幅值變換電路104，與雷電電流輸入端mi、A/D觸發電路105和第一供電電路111 相連接；因為雷感應電流很大，採用幅值變換電路可以把大電流等效為後續電路可以處理 的小電流，以便後續電路的處理；具體地，如圖2所示，在本實施例1中該幅值變換電路104 包括電阻R25、電容C22、電容C23、電阻R23、二極體D8、二極體D9，R25 一端連接於雷電電 流的輸入端IN1，另一端與C22相連，C22的另一端接地。C23、R23、D9並聯再與D8串聯，且 C23、R23、D9、D8跨接在C22的一端後，另一端接地。如此，該幅值變換電路104不但能將大 的雷電流等效為小電流，還能將雷電浪湧中的尖峰脈衝洩放到大地，這樣，經過消除幹擾的 等效後的雷電浪湧發送給A/D觸發電路105 ；A/D觸發電路105，與幅值變換電路104、MCU 106和第一供電電路111相連接，如 圖2所示，包括第一電阻R33、第二電阻R31、第三電阻R30，場效應管Q1，三極體Q3，電阻R30 的一端連接於幅值變換電路104中D8的負極，另一端連接Q1的柵極(1腳)，R31 一端連接 電源VDD，另一端連接Q1的漏極(2腳)，Q1的源極(即3腳)連接Q3的基極，Q3的集電 極連接單片機的INTI腳，發射極接地(接GND)。A/D觸發電路105的工作原理經過幅值 變換後的雷電浪湧通過R30的限流作用後加載在Q1的柵極(G，即1腳)上，同時，電源VDD提供一個電源，經電阻R31後加載在Ql的漏極(即Ql的2腳)，然後，兩者一起流經到Ql 的源極(即Ql的3腳)形成一高電平，而後該高電平觸發Q3，使Q3的集電極提供一個低電 平觸發單片機的INTl引腳，從而觸發單片機(MCU 106)中斷，觸發A/D轉換；洩放電路113，與峰值保持電路102中的積分電路103、MCU 106和供電電路111相 連接，具體地，如圖4所示，該洩放電路113包括第四電阻R8、第五電阻R9、一個場效應管 Q2以及一個三極體Q4，R9的一端連接積分電路中的Vsam腳，另一端連接三極體Q4的集電 極，R8的一端連接於MCU 106的10腳(discharge)，另一端連接與Q2的柵極(1腳)，Q2的 源極(3腳)連接於Q4的基極，Q4的發射極接地(接GND)；該洩放電路113的工作過程是當一次雷擊浪湧電流過後，MCU 106給洩放電路一 個信號，即經由discharge腳給洩放電路一個高電平，然後該高電平由Q2的柵極流經到源 極再觸發Q4，使Q4的提供一個低電平觸發積分電路的Vsam引腳，從而對積分電路進行放 H1^ ο液晶顯示裝置P4 110，與MCU 106和供電電路112相連接，如圖3所示，液晶顯示 裝置110與MCU之間連接的R14至R17的作用是限流保護，液晶顯示裝置110與MCU之間 連接Cll至C14的作用是消除高頻雜波幹擾，液晶顯示裝置110的4至6管腳是液晶顯示 裝置110的控制字管腳，單片機的14至16管腳發出控制字，對液晶顯示裝置110的工作 方式和顯示方式進行控制，另，單片機對雷電流的計算結果是被傳送至液晶顯示裝置P4110 上的管腳11至14進行顯示，S卩，液晶顯示裝置110接收MCU 106發送的指示，顯示雷電產 生的次數、時間以及強度；時鐘電路107，與MCU 106和供電電路111相連接，如圖5所示，在本實施例1中 該時鐘電路107採用型號為PCF8563時鐘晶片及其外圍元件連接而成，具體地是時鐘電路 107的5、6、7腳與MCU 106對應的12、13、6腳(根據腳後面的標示MCLK、SCL、SDA對應連 接)，發送時鐘信號107給MCU;這裡之所以採用時鐘晶片，是由於若採用單片機計時，一方 面採用計數器，佔用硬體資源另一方面需要設置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而 採用時鐘晶片則能很好的解決了上面這些問題。採用時鐘晶片的軟硬體設計簡單，時間記 錄準確，既可以避免了連續記錄的大工作量，又避免了實時記錄的盲目性，給連續長時間的 測量系統的正常運行及檢查帶來了很大的方便，因此MCU106能準確記錄遭受雷擊的時間。數據存儲器108，與MCU 106和供電電路111相連接，接收MCU 106發送雷電產生 的次數、時間以及強度數據進行儲存；在本實施例1中，如圖6所示，選用型號為AT24C64的 數據儲存器及其外圍元件連接而成；另外，在本實用新型其他連接方式中，數據存儲器也可 以不設置，直接由MCU來存儲雷電產生的次數、時間以及強度數據。鍵盤109，與MCU 106和供電電路111相連接，接收用戶的指示發送指示信號給 MCU進行處理，如圖7所示；操作鍵盤109，可以通過MCU修改時鐘電路設置的時間或者調出 數據存儲器上存儲的數據；另外，在本實用新型其他連接方式中，鍵盤也可以是外接的。MCU 106，如圖3所示，在本實施例中，MCU 106選用型號為MSP430F2112。兩個供電電路，即第一供電電路111、第二供電電路112，如圖8和9所示，圖8所 示的供電電路111是給本實用新型所述的雷電記錄儀中其它電路來進行供電，其中，VDD腳 與其他電路中的VDD腳連接進行供電，圖9所示的供電電路112是給液晶顯示裝置進行供電。[0047]該雷電記錄儀的工作原理是前端採集雷電電流，該雷電電流經輸入端mi進入 後續電路，當為超強的雷電電流時，經保護電路洩放入地，正常範圍內的雷電電流進入峰值 保持電路進行峰值保持，然後積分電路103將對峰值保持後的雷電流進行積分(充電)，將 雷電流存儲在積分電容C21中。當一個浪湧過後，C21就保留了浪湧電流對其充電的結果； 同時，正常範圍內的雷電流進入幅值變換電路104，經幅值變換電路把大電流等效為小電路 並消除幹擾，如此，消除幹擾後的等效雷電浪湧發送給A/D觸發電路105，A/D觸發電路105 接收到幅值變換電路104發來的雷電浪湧後發送中斷信號給MCU 106，指示MCU106中斷，從 而，MCU 106給洩放電路113 —個信號，使峰值保護電路中的積分電路103放電，積分電容 C21處於放電周期的時間，C21存儲的電流信號被採集送入單片機(MCU 106)，該電流信號 為模擬信號，單片機對該模擬信號進行A/D轉換，即將模擬信號轉換成數位訊號，然後，MCU 對數位訊號進行進一步處理，從而得出並記錄雷電產生的大小、次數以及時間，同時完成對 時鐘和液晶顯示以及儲存器的驅動，如此，顯示裝置110顯示雷電產生的次數、時間以及大 小，同時，數據存儲器存下該些數據。當一次雷擊浪湧電流經分析測量過後，單片機再給洩 放電路113—個信號，使其對積分電路103電容C21內的殘餘電流進行洩放，以備下次充電 測量。與現有技術相比，本實用新型採用了計算機原理，能夠準確地記錄遭雷擊的時間 和雷擊強度以及次數。這對未來各相關部門在採取雷電防護方面更有針對性、及時性和有 效性，能把雷電造成的災害降到最低程度。在電信、移動、聯通、鐵道等行業的實際運用過程 中，經過實際運用，取得很好的防雷電效果，降低了雷電造成的災害。當然，本實用新型還可有其他多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的 情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本實用新型做出各種相應的改變和變形，但這些相 應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求一種雷電記錄儀，其特徵在於，包括保護電路、峰值保持電路、幅值變換電路、A/D觸發電路、洩放電路、單片機、時鐘電路、液晶顯示裝置和供電電路；其中，所述保護電路，用於與雷電電流輸入端和大地相連，將超強雷電流洩放入地；所述峰值保持電路，包括有積分電路，用於與雷電電流輸入端、洩放電路、單片機和供電電路相連，接收雷電電流進行處理後，發送給單片機；所述幅值變換電路，用於與雷電電流輸入端、A/D觸發電路和供電電路相連，接收雷電電流並等效為弱電流，發送給A/D觸發電路；所述A/D觸發電路，用於與所述幅值變換電路、單片機和供電電路相連，接收所述幅值變換電路發送的弱電流後，觸發所述單片機中斷及A/D轉換；所述洩放電路，用於與所述積分電路、單片機和供電電路相連；所述單片機，用於與所述峰值保持電路、A/D觸發電路、液晶顯示裝置、時鐘電路和供電電路相連，接收A/D觸發電路發送的中斷信號以及峰值保護電路發送的雷電電流信號，進行A/D轉換並進行分析，然後統計的雷電產生的次數、時間以及強度，並發送給所述液晶顯示裝置；所述時鐘電路，用於與所述單片機和供電電路相連，發送時鐘信號給所述單片機；所述液晶顯示裝置，用於與所述單片機和供電電路相連，接收所述單片機發送的雷電產生的次數、時間以及強度進行顯示。
2.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述雷電記錄儀還包括鍵盤，該鍵 盤用於與所述單片機和供電電路相連。
3.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述雷電記錄儀還包括所述數據存 儲器，用於與所述單片機和供電電路相連，接收並存儲所述單片機發送的雷電產生的次數、 時間以及強度。
4.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述A/D觸發電路包括第一電阻、 第二電阻、第三電阻、一個場效應管和一個三極體；其中，所述第三電阻的一端連接所述場 效應管的柵極，所述第二電阻的一端連接電源，該第二電阻的另一端連接所述場效應管的 漏極，所述三極體的集電極與所述單片機相連接，所述場效應管的源極連接所述三極體的 基極，所述三極體的發射極與所述第一電阻的一端均接地。
5.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述洩放電路包括第四電阻、第五 電阻、一個場效應管以及一個三極體；其中，所述第五電阻的一端連接所述峰值保持電路， 該第五電阻的另一端連接所述三極體的集電極，所述第四電阻的一端連接於所述單片機， 該第四電阻的另一端連接於所述場效應管的柵極上，該場效應管的源極連接於所述三極體 的基極，該三極體的發射極接地。
6.如權利要求1至5中任一權利要求所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述供電電路包 括第一供電電路和第二供電電路，其中，所述第一供電電路，用於與所述峰值保持電路、幅值變換電路、A/D觸發電路、洩放電 路、單片機、時鐘電路、數據存儲器、鍵盤相連；所述第二供電電路，用於與所述輸出裝置相連。
7.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述時鐘電路採用型號為PCF8563時 鍾晶片及其外圍元件連接而成。
8.如權利要求3所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述數據存儲器採用型號為AT24C64 的數據儲存器及其外圍元件連接而成。
9.如權利要求1所述的雷電記錄儀，其特徵在於，所述單片機採用型號為MSP430F2112 單片機及其外圍元件連接而成。
專利摘要本實用新型公開了一種雷電記錄儀，包括保護電路、峰值保持電路、幅值變換電路、A/D觸發電路、洩放電路、單片機、時鐘電路、液晶顯示裝置和供電電路；其中，單片機用於與峰值保持電路、A/D觸發電路、數據存儲器、輸出裝置和供電電路相連，接收A/D觸發電路發送的中斷信號以及峰值保護電路發送的雷電電流信號，進行A/D轉換並進行分析，然後統計的雷電產生的次數、時間以及強度數據。與現有技術相比，本實用新型能夠準確記錄因直擊雷感應而產生的浪湧強度和發生時間以及次數。
文檔編號G01R19/17GK201637774SQ20102013818
公開日2010年11月17日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者佟建勳, 牛封 申請人:北京歐地安科技股份有限公司