专利名称：通用智能型防雷监测模块及方法
技术领域：
本发明涉及防雷设备，特别涉及一种智能通用智能型在线防雷监测模块及方法，用于智能建筑防雷、工业防雷设施的监测，可实现对防雷器性能进行实时远程监测。
背景技术：
现有的防雷监测产品一般为非在线手持式监测仪或在线使用的防雷计数器产品，这类防雷监测产品不足之处是所有的监测数据都需要工作人员周期性到现场或试验室对防雷器试验数据进行手工记录和统计上报，不能对防雷器状态进行实时跟踪记录，且功能单一。因此，如何实现对防雷器性能进行实时远程监测，就成为了本领域的技术人员所要研究和解决的课题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有设计存在的不足，提供一种通用智能型在线防雷监测模块设计方案，实现在线实时监测和记录防雷器的热脱扣、阀片温度、雷击次数、漏电流情况，采用Modbus Rtu通用协议通过RS485或RJ45接口和随意组成网络并可以和所有组态软件、自开发软件以及支持Modbus Rtu的硬件设备连接，实现对防雷器性能进行实时远程监测；对所有具有遥信口防雷器进行监测；通过自带的液晶显示屏显示防雷器相关信息，方便就地观测，从而弥补现有技术的缺陷。本发明是通过这样的技术方案实现的通用智能型在线防雷监测模块，其特征在于，监测模块硬件包括单片机、液晶显示模块、MAX485通讯芯片、温度传感器、电流调理电路、电感线圈、电源电路和继电器控制电路；其中，
单片机采用ATMEGA16L ；
液晶显示模块采用IXD1602液晶芯片；
温度采集电路主要由温度传感器DS18b20构成；
信号调理电路主要由二极管整流电桥、电容滤波电路、光电隔离单元和电压跟随器连接构成；光电隔离单元包括两个光电耦合器TLP521 ;电压跟随器由LM321单运算放大器和阻容元件组成；
二极管整流电桥的交流输入端与电感线圈L连接；直流输出端连接两个光电耦合器TLP521，电感线圈L安装在被测防雷器接地母线旁；
防雷器自身具有遥信口，其方式为干接点，防雷器的遥信口一端与外部5v电源的负极相连接，外部5V电源正极经过限流电阻连接光电耦合器TLP521的正极(I脚)，光电耦合器TLP521的负极(2脚)连接防雷器的另一个遥信口，形成一个回路；
光电耦合器TLP521的发射极与GND相连接，TLP521的集电极与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PBO)相连接，使光电耦合器TLP521和单片机ATMEGA16L形成回路；
继电器控制电路由三极管、二极管、基极电阻和继电器K组成；三极管基极经基极电阻连接与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PB7)，三极管的集电极连接继电器K的线圈；继电器K的两组触点作为防雷器一次线连接通道开关，两个常闭触点分别连接防雷器I 一次线的L、N进线端，两个常开触点分别连接防雷器2 —次线的L、N进线端，继电器两组常闭触点和常闭触点的公共端分别连接交流电源的火线L和零线N，防雷器I为主防雷器，防雷器2为备用防雷器。通用智能型在线防雷监测的方法，其特征是单片机ATMEGA16L通过采集光电耦合器TLP521输出端的电平，监测防雷器工作状态；
当防雷器处于正常工作状态时，防雷器的遥信口为导通状态，光电耦合器TLP521的发光二级管正负极导通有电流经过，二极管发光，光电耦合器TLP521的受光侧导通，与单片机ATMEGA16L连接的回路有电流经过，单片机ATMEGA16LI/0 口为低电平；
当防雷器受雷击，防雷器内部MOA氧化物熔断，热脱扣装置脱扣，防雷器的遥信口为断路状态，与TLP521正负极连接的回路短开，受光侧为断路状态，单片机ATMEGA16LI/0 口为高电平；
单片机ATMEGA16L通过电流调理电路采集测雷击次数和漏流，当防雷器受到雷击，阀片开启通过接地线泄流，安装在接地线上的电感线圈L受到电流感应产生感应电流，感应电流经过保护电阻Rl传送到二极管整流电桥，经二极管整流电桥整流产生直流电压信号，直流电压信号经电容滤波电路滤波，滤波后的直流电压信号送入光电隔离单元；
直流电压信号经过光电隔离单元被分为两路，其中一路经过一个光电耦合器TLP521，由光电耦合器TLP521输出开关量信号，开关量信号传到单片机ATMEGA16L的中断O 口，触发单片机ATMEGA16L产生中断，再由单片机ATMEGA16L程序累加计算中断次数，从而得出防雷器被雷击的次数；
另一路直流电压信号经过一个光电稱合器TLP521、抗干扰电容和米样电阻后，送入LM321单运算放大器组成的电压跟随器，然后将信号再输出到单片机ATMEGA16L的AD管脚ΡΑ0，当雷电发生时电路产生一个表征放电电流大小的电压信号，经AD转换进行采样后，单片机ATMEGA16L得到相应的放电电流数据；
在防雷器阀片接地端处安装温度传感器DS18B20，通过温度传感器DS18B20监测其温度变化，温度传感器DS18b20将阀片温度信号传至ATMEAG16L中断I端口，通过震荡器输出的脉冲信号来测量温度；
单片机ATMEGA16L将采集到的热脱扣信号、雷击次数、阀片温度及漏电流数据存储在24C16存储芯片中，通过IXD1602液晶显示模块显示；将数据转换成MODBUS协议，通过RS485或RS232接口上传至计算机；
通过继电器控制电路的继电器K的两组触点控制主防雷器、备用防雷器的一次线连接通道，当防雷器受雷击，防雷器内部MOA氧化物熔断，主防雷器的一次线连接通道断开，单片机ATMEGA16L通过I/O 口(PB7)驱动继电器控制电路，继电器K吸合，备用防雷器的一次线连接通道接通，继续为用电器供电。发明的有益效果是本发明提供的方案，实现在线实时监测和记录防雷器的热脱扣、阀片温度、雷击次数、漏电流情况，采用Modbus Rtu通用协议通过RS485或RJ45接口和随意组成网络并可以和所有组态软件、自开发软件以及支持Modbus Rtu的硬件设备连接，实现对防雷器性能进行实时远程监测；对所有具有遥信口防雷器进行监测；通过自带的液晶显示屏显示防雷器相关信息，方便就地观测，从而弥补现有技术的缺陷。
图I、通用智能型在线防雷监测模块结构框 图2、通用智能型在线防雷监测模块电路图。
具体实施例方式为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明
如图I至图2所示，监测模块硬件包括单片机、液晶显示模块、MAX485通讯芯片、温度传感器、电流调理电路、电感线圈、电源电路和继电器控制电路；其中，单片机采用ATMEGAI6L；
液晶显示模块采用IXD1602液晶芯片；
温度采集电路主要由温度传感器DS18b20构成；
信号调理电路主要由二极管整流电桥、电容滤波电路、光电隔离单元和电压跟随器连接构成；光电隔离单元包括两个光电耦合器TLP521 ;电压跟随器由LM321单运算放大器和阻容元件组成；
二极管整流电桥的交流输入端与电感线圈L连接；直流输出端连接两个光电耦合器TLP521，电感线圈L安装在被测防雷器接地母线旁；
防雷器自身具有遥信口，其方式为干接点，防雷器的遥信口一端与外部5v电源的负极相连接，外部5V电源正极经过限流电阻连接光电耦合器TLP521的正极(I脚)，光电耦合器TLP521的负极(2脚)连接防雷器的另一个遥信口，形成一个回路；
光电耦合器TLP521的发射极与GND相连接，TLP521的集电极与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PBO)相连接，使光电耦合器TLP521和单片机ATMEGA16L形成回路；
信号调理电路的功能是将电流传感器中产生感应电流进行调整，为单片机提供记录触发脉冲和表征雷电放电时浪涌电流大小的符合A/D转换器输入范围的模拟电压信号；
雷电发生时产生的感应电流经过保护电阻Rl后加到由4个低导通电压二极管1N4148和I个电容构成整流滤波电路上，形成直流电压信号。为了避免可能的过高感应电流/电压窜入测量电路对单片机造成的损害，采用光耦对传感器电路和测量电路进行光电隔离。为了保证测量的精度，光电耦合器选用线性度较好的TLP521。经光电隔离后产生的电压信号分为两路U1支路输出端被设置成开关量模式后连接到单片机具有中断功能的I/O 口，当雷电发生时电路产生一个负脉冲，触发单片机产生中断，使单片机运行中断服务子程序；U2支路输出端被设置成模拟量模式后连接到单片机内部A/D转换器的输入口，当雷电发生时电路产生一个表征雷电放电电流大小的电压信号，在中断服务子程序的控制下A/D转换器对其进行采样，得到相应的放电电流数据；利用光电耦合器TLP521后加入电压跟随器的电路结构，替代线性光电耦合器的功能。线性光耦是一种用于模拟信号隔离的光耦器件，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流。线性光耦能够保护被测试对象和测试电路，并减小环境干扰对测试电路的影响。继电器控制电路由三极管、二极管、基极电阻和继电器K组成；三极管基极经基极电阻连接与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PB7)，三极管的集电极连接继电器K的线圈；继电器K的两组触点作为防雷器一次线连接通道开关，两个常闭触点分别连接防雷器I 一次线的L、N进线端，两个常开触点分别连接防雷器2 —次线的L、N进线端，继电器两组常闭触点和常闭触点的公共端分别连接交流电源的火线L和零线N，防雷器I为主防雷器，防雷器2为备用防雷器。双刀双掷继电器的2组常闭触点分别与主防雷器(防雷器I)的L、N接线端子相连接，继电器的常开触点与副防雷器(防雷器2)的L、N接线端子相连接，正常时继电器的常闭触点闭合，主防雷器与电源线L、N通路，当发生雷击防雷器热脱扣装置脱扣后，单片机接收到防雷器遥信口输出的断路信号后，单片机PB7置高电平，继电器线圈吸合，常闭触点断路，常开触点闭合，这时电源线路L、N与副防雷器的L、N通路，是主副防雷器切换。使供电不因防雷器损坏而中断。同时通过远程设备向单片机485 口发送命令，可以控制继电器线圈的开合，从而方便的实现防雷器维护及不断电情况下更换。
防雷器监测中，几乎所有需要测量的变量，都会影响MOA阀片的温度，在正常运行条件下MOA吸收能耗温度变化小，当过压时温度可能会上升，因此MOA阀片的温度是判别其是否工作在稳定状态的主要参考数据。MOA的接地温度能反应MOA阀片的热量分布状态，只要获得MOA的接地温度，就可以判断MOA的性能状态。DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用方便等优点。由于18B20芯片送出的温度信号是数字信号，因此简化了 A/D转换的设计，提高了测量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一标识码即不存在相同标识码的DS18B20 ；
设计采用I个DS18B20对阀片温度进行采样，通过ATMEGA的中断I引脚进行数据接收。防雷器状态检测设计单片机PO端口接TLP521进行端口隔离防止MCU损坏，防雷器的遥信口可以和这些端口连接，当防雷器MOA熔断是IO 口接收开关量信号，传输到单片机中采集这些Sro的性能状态。数据存储显示设计单片机将采集到的数据信息经过计算后保存到EPR0M24cl6中，并通过IXD1602液晶显示。RS485通讯及MODBUS协议设计设计模块与外界的接口为MODBUS RTU协议通过RS485 口实现。此设计原因及好处如下
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，模块相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一 Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
Modbus具有以下几个特点
(I)标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。(2)Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS_485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线。
(3)Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
权利要求
1.通用智能型防雷监测模块，其特征在于，监测模块硬件包括单片机、液晶显示模块、MAX485通讯芯片、温度传感器、电流调理电路、电感线圈、电源电路和继电器控制电路；其中，单片机采用ATMEGA16L ;液晶显示模块采用IXD1602液晶芯片；温度采集电路主要由温度传感器DS18b20构成；信号调理电路主要由二极管整流电桥、电容滤波电路、光电隔离单元和电压跟随器连接构成；光电隔离单元包括两个光电耦合器TLP521 ;电压跟随器由LM321单运算放大器和阻容元件组成；二极管整流电桥的交流输入端与电感线圈L连接；直流输出端连接两个光电耦合器TLP521，电感线圈L安装在被测防雷器接地母线旁；防雷器自身具有遥信口，其方式为干接点，防雷器的遥信口一端与外部5v电源的负极相连接，夕卜部5V电源正极经过限流电阻连接光电耦合器TLP521的正极(I脚)，光电耦合器TLP521的负极(2脚)连接防雷器的另一个遥信口，形成一个回路；光电耦合器TLP521的发射极与GND相连接，TLP521的集电极与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PBO)相连接，使光电耦合器TLP521和单片机ATMEGA16L形成回路；继电器控制电路由三极管、二极管、基极电阻和继电器K组成；三极管基极经基极电阻连接与单片机ATMEGA16L的I/O 口(PB7)，三极管的集电极连接继电器K的线圈；继电器K的两组触点作为防雷器一次线连接通道开关，两个常闭触点分别连接防雷器I 一次线的L、N进线端，两个常开触点分别连接防雷器2 —次线的L、N进线端，继电器两组常闭触点和常闭触点的公共端分别连接交流电源的火线L和零线N，防雷器I为主防雷器，防雷器2为备用防雷器。
2.通用智能型防雷监测的方法，其特征是单片机ATMEGA16L通过采集光电耦合器TLP521输出端的电平，监测防雷器工作状态； 当防雷器处于正常工作状态时，防雷器的遥信口为导通状态，光电耦合器TLP521的发光二级管正负极导通有电流经过，二极管发光，光电耦合器TLP521的受光侧导通，与单片机ATMEGA16L连接的回路有电流经过，单片机ATMEGA16LI/0 口为低电平； 当防雷器受雷击，防雷器内部MOA氧化物熔断，热脱扣装置脱扣，防雷器的遥信口为断路状态，与TLP521正负极连接的回路短开，受光侧为断路状态，单片机ATMEGA16LI/0 口为高电平； 单片机ATMEGA16L通过电流调理电路采集测雷击次数和漏流，当防雷器受到雷击，阀片开启通过接地线泄流，安装在接地线上的电感线圈L受到电流感应产生感应电流，感应电流经过保护电阻Rl传送到二极管整流电桥，经二极管整流电桥整流产生直流电压信号，直流电压信号经电容滤波电路滤波，滤波后的直流电压信号送入光电隔离单元； 直流电压信号经过光电隔离单元被分为两路，其中一路经过一个光电耦合器TLP521，由光电耦合器TLP521输出开关量信号，开关量信号传到单片机ATMEGA16L的中断0 口，触发单片机ATMEGA16L产生中断，再由单片机ATMEGA16L程序累加计算中断次数，从而得出防雷器被雷击的次数； 另一路直流电压信号经过一个光电稱合器TLP521、抗干扰电容和米样电阻后，送入LM321单运算放大器组成的电压跟随器，然后将信号再输出到单片机ATMEGA16L的AD管脚PA0，当雷电发生时电路产生一个表征放电电流大小的电压信号，经AD转换进行采样后，单片机ATMEGA16L得到相应的放电电流数据； 在防雷器阀片接地端处安装温度传感器DS18B20，通过温度传感器DS18B20监测其温度变化，温度传感器DS18b20将阀片温度信号传至ATMEAG16L中断I端口，通过震荡器输出的脉冲信号来测量温度； 单片机ATMEGA16L将采集到的热脱扣信号、雷击次数、阀片温度及漏电流数据存储在24C 16存储芯片中，通过IXD1602液晶显示模块显示；将数据转换成MODBUS协议，通过RS485或RS232接口上传至计算机； 通过继电器控制电路的继电器K的两组触点控制主防雷器、备用防雷器的一次线连接通道，当防雷器受雷击，防雷器内部MOA氧化物熔断，主防雷器的一次线连接通道断开，单片机ATMEGA16L通过I/O 口(PB7)驱动继电器控制电路，继电器K吸合，备用防雷器的一次线连接通道接通，继续为用电器供电。
全文摘要
本发明涉及一种通用智能型防雷监测模块及方法，监测模块硬件包括单片机、液晶显示模块、MAX485通讯芯片、温度传感器、电流调理电路、电感线圈、电源电路和继电器，单片机ATMEGA16L通过采集光电耦合器TLP521输出端的电平，监测防雷器工作状态；通过电流调理电路采集测雷击次数和漏流，通DS18b20温度传感器将阀片温度信号传至ATMEAG16L中断1端口，通过震荡器输出的脉冲信号来测量温度；单片机ATMEGA16L将采集到的热脱扣信号，雷击次数，阀片温度，漏电流数据存储在24C16存储芯片中通过LCD1602液晶显示模块显示；将数据转换成MODBUS协议通过RS485或RS232接口上传；通过自带的液晶显示屏显示防雷器信息，方便就地观测，从而弥补现有技术的缺陷。
文档编号G01R19/17GK102798786SQ201210331810
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者刘轶超 申请人:天津协盛闪宁科技有限公司