雷击计数器设计方案

雷击计数器设计方案

一．设计技术要求：

请设计一款《雷击计数器》产品，查找相关资料，写出设计方案，绘出初步原理图（包括前端采集电路，AD转换，MPU，LED显示等相关部分），主体程序和详细的注释。以U盘形式保存结果，结果中包含所查找的资料，设计方案，原理图，程序。MPU，LED等各种器件自选。

二．具体设计方案：

本设计方案是基于天津市中力防雷技术有限公司提供的初始技术要求，而制定本方案，在整个设计的过程中，并未将此设计作为技术能力测试而进行考虑，而是将其作为一种防雷方面的产品进行。由于对防雷领域涉入不深，因此必然会存在很多不足的地方，加之前一段时间出差，所以在时间上相对紧张。本设计方案从实际的应用角度出发，将原LED显示部分更改为液晶（LCD）显示，同时增加了实时时钟用于记录发生雷击的具体时间，增加了FLASH存储器，用于保存雷击发生的时间、强度信息，便于今后进行分析。扩展了RS232接口，可用于读取FLASH存储器中雷击的信息，同时可通过RS232通讯接口与GPRS系统相连接，便于将来进行组网。这样可以将某个地区的雷区分布、雷击发生时间、雷击强度等信息进行汇总、分析。

根据上述思路设计了两个实施的技术方案，其一是采用通用的AT89C51为MCU，其二是采用将FPGA内嵌入MCU的方式，从技术的先进性应该是后者更具有竞争力，但相应增加一定的成本。由于时间的关系，本次采用AT89C51为MCU的方式进行设计，并绘出了电路原理图，软件编程基本完成了80﹪左右其中的大部分程序在硬件上通过。由于时间仓促不足之处请谅解。

1．雷击计数器设计的关键技术：

雷电是自然界中常见的放电现象其雷电电流很大、电压很高，通常雷电电流的幅值变化范围从几kA～几百kA、传统带铁心的电流传感器频带较窄、饱时输出信号波形畸变严重,不适宜雷电流测量。

一个雷电波形的上升沿一般在10μS以上．整个雷电的放电波形一般在几十微秒到上百微秒之间,图一是雷电放电波形示意图。因此解决电流传感器及高速A/D转换芯片是设计雷击计数器的关键。

雷击电流与时间关系曲线

根据资料的查找及相关知识的学习，目前普遍采用罗氏线圈（Rogowski）作为大电流传感器。因此本设计在电流传感器方面选用罗氏线圈，但需解决的问题很多，需要专业的生产厂家进行了解，最后确定型号、参数等技术要求。

在A/D转换方面，选用了美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的低功耗10 位高速串行A/D 转换器AD7810。该产品具有内部时钟。它的外围接线极其简单，转换时间为2μs，采用标准SPI 同步串行接口输出和单一电源（2.7V～5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS 时的功耗仅为27μW，因此特点适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。

2．雷击计数器组成框图

以AT89C51为MCU的雷击计数器原理框图见图（二）

图(二) 雷击计数器设计方案一

以FPGA嵌入MCU的雷击计数器原理框图见图（三）

图(三) 雷击计数器设计方案二

3．简要工作原理

本雷击计数器以AT89C51单片机为核心，实时检测、记录雷击发生的时间、雷击电流强度等信息，可通过GPRS扩展组网进行工作。电流传感器（罗氏线圈）实时感应雷击电流，通过外部积分电路、A/D转换电路，将雷击大电流转换为与之具有对应关系的0～5V低压信号，并通过中断的方式由AT89C51单片机进行处理，将处理后的数据通过LCD进行显示，并保存到FLASH存储器中以备查询，同时可通过按键设置时间、日期确保记录的准确性，也可通过按键查询雷击的历史记录。本雷击计数器的计数范围最大99次，可重复记录。采用外部DC9V交流适配器进行供电。

三．雷击计数器软件说明

雷击计数器的软件部分用MCS51汇编语言编写，采用模块化设计，便于阅读、维护及升级。图（四）是主程序的软件流程图，图（五）是按键处理程序的软件流程图，图（六）是外部中断0处理程序的软件流程图。其详细程序见文件目录的雷击计数器程序（MCS1）目录中的文件。

图(四) 雷击计数器主程序流程图

图(五) 雷击计数器按键处理程序流程图

图(六) 雷击计数器外部中断INT0处理程序流程图四．雷击计数器原理图

图（七）雷击计数器电路原理图

五．元器件清单

六．雷击计数器硬件调试

硬件调试可通过MCS51系列仿真器进行，通用的部分比较简单（LCD、RS232、键盘、A/D转换）可直接调试。但此项目设计瞬间大电流的采样，因此不可能直接在现场对雷击进行试验，一是不安全，同时也是不科学的。可通过雷击浪涌发生器进行模拟调试，图（八）是一种雷击浪涌发生器的性能、参数介绍

图（八）雷击浪涌发生器性能、参数

七．雷击计数器软件调试

可根据软件的功能进行各功能子程序的模拟仿真进行调试，排除逻辑、语法等错误，待各功能软件调试完成后，再调试主程序，直至没有逻辑、语法及“死”循环。最后结合硬件通过仿真器进行实际功能调试，最后完成整个软件的设计。