一种基于PVDF薄膜的雨量采集系统信号处理电路的制作方法

一种基于pvdf薄膜的雨量采集系统信号处理电路
技术领域
1.本实用新型涉及雨水采集产品技术领域，尤其是涉及一种基于pvdf薄膜的雨量采集系统信号处理电路。


背景技术：

2.目前市面上对于降雨量采集的设备主要有翻斗式、压电式、雷达式、摄像机式等。一般来说，压电式即通过雨水打击底部贴有压电陶瓷片或者pvdf薄膜的钢盖，利用压电效应采集雨水，每滴雨水打击到钢盖上时，底部的压电传感器都会产生电压信号，通过采集判断该电压信号的大小计算雨滴的大小。现有压电式降水采集系统中大多采用压电陶瓷片作为压电效应的发生器，压电陶瓷片结构较脆，使用寿命有限，当有冰雹打击钢盖时，有一定几率损坏其底部贴合的压电陶瓷片；与此同时，在压电信号处理部分，传统技术为了节省硬件成本，只是简单的将原始信号进行电压放大之后直接接入主控采样，没有做信号的滤波处理或者只是简单的处理，远远达不到测量要求，使测量的精确性大大降低，稳定性也随外界干扰的引入而得不到保证；此外，使用电压放大与压电信号匹配需要很高的输入阻抗，其抗干扰能力不足，电压放大在带宽、灵敏度上都会受到压电陶瓷或者pvdf薄膜传感器线路的电容量限制。在放大电路部分，传统技术只是简单的进行放大，没有做到动态调节，这样会使采样信号很容易超出采样界限，使系统出现临时报错。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于pvdf薄膜的雨量采集系统信号处理电路，以解决现有技术中存在的技术问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.本实用新型提供一种基于pvdf薄膜的雨量采集系统信号处理电路，包括：系统供电电路、电荷放大电路、低通滤波电路、工频滤波电路、主放大电路、动态调整电路、采样触发电路以及主控采样电路；其中，
7.所述系统供电电路用于为整个系统提供正常工作所需的电源，保证电路能够正常运转；
8.所述电荷放大电路用于将pvdf薄膜产生的微弱电信号进行电荷放大，得到正常的可供后级电路采样的信号；
9.所述低通滤波电路用于滤除整个系统工作频段以上的干扰信号；
10.所述工频滤波电路用于消除电源或其它传导引入的50hz工频干扰；
11.所述主放大电路用于将经过滤波处理后的信号进行二次放大，得到清晰稳定的信号供后级电路使用；
12.所述动态调整电路用于对主放大电路的参数进行动态调节，根据输入信号的大小来及时调节放大电路的放大倍数，在这里引入负反馈控制，当输入信号变大时适当减小放大参数，当输入信号减小时适当增加放大参数；
13.所述采样触发电路用于对经过主放大电路放大后的信号进行采样对比，当采样信号达到一定阈值时，产生触发采样信号，主控开始采样；
14.所述主控采样电路用于采样经滤波、放大后的输入信号，并对其进行数据分析。
15.进一步，所述电荷放大电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第一电容c2以及第一集成运算放大器u1a；其中，
16.第一电阻r1一端与pvdf薄膜信号输入相连，而另一端连接至第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端分别与第一集成运算放大器u1a的反向输入端、第一电容c2的一端、第二电阻r2的一端相连，第一集成运算放大器u1a的同向输入端与gnd相连，输出端out1分别与第一电容c2的一端、第二电阻r2的一端、所述低通滤波电路的第三电阻r3的一端相连，第一集成运算放大器u1a的v
‑
与
‑
5v相连。
17.进一步，所述低通滤波电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第七电容c7、第一集成运算放大器u1b；其中，
18.第三电阻r3一端连接电荷放大电路的第一集成运算放大器u1a的out1输出端，另一端与第四电阻r4、第四电容c4的一端相连，第四电阻r4另一端分别与第三电容c3的一端、第一集成运算放大器u1b的同向输入端相连接，第三电容的另一端连接至gnd，第四电容c4的另一端与第一集成运算放大器u1b的输出端out2、第一集成运算放大器u1b的反向输入端、第五电容c5的一端、第九电容c9的一端、第五电阻r5的一端相连，第五电容c5的另一端与gnd相连，第一集成运算放大器u1b的v+分别与第七电容c7的一端、5v相连，第七电容c7的另一端与gnd相连。
19.进一步，所述工频滤波电路包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11；其中，
20.第五电阻r5一端分别与低通滤波电路的第一集成运算放大器u1b的输出端out2、第九电容c9的一端相连，第五电阻r5的另一端分别与第六电阻r6一端、第十一电容c11的一端相连，第六电阻r6的另一端分别与第十电容c10的一端、第二集成运算放大器u2a的同向输入端连接，第九电容c9的另一端分别与第十电容c10的另一端、第七电阻r7的一端相连，第十一电容c11的另一端分别与第七电阻r7、第八电阻r8的第2脚相连，第八电阻r8的第1脚与gnd相连，第八电阻r8的第3脚分别与第二集成运算放大器u2a的反向输入端、第二集成运算放大器u2a的ou1输出端、主放大电路第九电阻r9的一端相连，第二集成运算放大器u2a的v
‑
与
‑
5v相连。
21.进一步，所述主放大电路包括第九电阻r9、第十电阻r10、第十二电容c12以及第二集成运算放大器u2b；其中，
22.第九电阻r9的一端与工频滤波电路的第二集成运算放大器u2a的out1端、第八电阻r8的第三脚相连，另一端分别与第二集成运算放大器u2b的反向输入端、第三芯片u3的第10脚相连接，第二集成运算放大器u2b的同向输入端分别与第十电阻r10的一端、动态调整电路第六集成运算放大器u6的输出端、第六集成运算放大器u6的反向输入端相连接，第十电阻r10的另一端与5v相连接，第二集成运算放大器u2b的v+与5v相连接，第十二电容c12的
一端与5v相连，另一端与gnd相连，第二集成运算放大器u2b的输出端out2分别与第三芯片u3的第2脚、第十一电阻r11相连。
23.进一步，所述动态调整电路包括第五芯片u5、第三芯片u3、第十三电容c13、第十四电容c14、第六芯片u6、第八电容c8、第五芯片u5以及第六电容c6；其中，第五芯片u5的第1脚、第2脚、第3脚分别连接至cpu的信号输出脚，第五芯片u5的第4脚分别与5v、第十三电容c13的一端相连，第十三电容c13的另一端与gnd相连，第五芯片u5第5脚与第六集成运算放大器u6同向输入端相连接，第五芯片u5第6脚连接至gnd，第六集成运算放大器u6的反向输入端分别与第六集成运算放大器u6的输出端、第十电阻r10的一端相连接，第六集成运算放大器u6的正极分别与5v、第十四电容c14的一端相连接，第十四电容c14的另一端与gnd相连接，第三芯片u3第6脚与gnd相连，第三芯片u3第7脚、第8脚、第9脚、第10脚分别连接至cpu的信号输出脚，第三芯片u3的第5脚与第六电容c6的一端相连接，第六电容c6的另一端与gnd相连，第三芯片u3的第4脚与gnd相连，第三芯片u3的第1脚分别与第八电容c8、5v相连接，第八电容c8的另一端与gnd相连接。
24.进一步，所述采样触发电路包括第十一电阻r11、第十五电容c15、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十六电容c16、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电容c17、第四芯片u4以及第一三极管q1；其中，
25.第十一电阻r11的一端连接至主放大电路的第二集成运算放大器u2b的输出端out2，另一端连接至第四芯片u4的第5脚，第四芯片u4的第4脚与gnd相连，第四芯片u4的第6脚分别与第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十六电容c16的一端相连接，第十二电阻的另一端连接至5v，第十三电阻r13的另一端与gnd相连，第十六电容c16的另一端与gnd相连，第四芯片u4的第7脚与第十五电阻r15的一端相连接，第四芯片u4的第8脚分别与第十五电容c15的一端、5v相连接，第十五电容c15的另一端与gnd相连接，第十五电阻r15的另一端分别与第十四电阻r14的一端、第一三极管q1的基极相连接，第一三极管q1的集电极分别与第十四电阻r14的另一端、5v相连接，第一三极管q1的发射极分别与第十六电阻r16的一端、第十七电容c17的一端、cpu控制检测引脚exti01相连接，第十六电阻r16的另一端与gnd相连接，第十七电容c17的另一端与gnd相连接。
26.采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：
27.本实用新型可以有效可靠地实现处理pvdf薄膜产生的压电信号，解决了传统压电陶瓷片易损问题，降低了返修率，通过优化以及增加滤波电路提高了系统的稳定性以及抗干扰能力，在主放大电路部分增加动态调节电路，提高了系统采样的灵活性、可拓展性；且在硬件上没有提高成本、缩小了电路体积、增加功耗控制，降低了系统功耗。整体设计结构简单，使用方便，且安全可靠。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本实用新型的系统原理框图；
30.图2为本实用新型的系统电路原理图。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
35.结合图1所示，本实施例提供一种基于pvdf薄膜的雨量采集系统信号处理电路，所述电路主要包括系统供电电路、电荷放大电路、低通滤波电路、工频滤波电路、主放大电路、动态调整电路、采样触发电路、主控采样电路。系统供电电路主要是为整个系统提供正常工作所需的电源，保证电路能够正常运转；电荷放大电路的作用是将pvdf薄膜产生的微弱电信号进行电荷放大，得到正常的可供后级电路采样的信号；低通滤波电路主要的作用是滤除整个系统工作频段以上的干扰信号，由于本系统工作频率为1khz及其以下，需要将1khz以上的无用信号滤除，从而引入低通滤波；工频滤波电路的主要作用是消除电源或其它传导引入的50hz工频干扰，尽可能的消除外界干扰信号，提高系统稳定性；主放大电路的作用是将经过滤波处理后的信号进行二次放大，得到清晰稳定的信号供后级电路使用；动态调整电路的主要作用是对主放大电路的参数进行动态调节，根据输入信号的大小来及时调节放大电路的放大倍数等，在这里引入负反馈控制，当输入信号变大时适当减小放大参数，当输入信号减小时适当增加放大参数，通过这种方式，扩大了采样范围，使采样系统得到进一步优化；采样触发电路的主要作用是对经过主放大电路放大后的信号进行采样对比，当采样信号达到一定阈值时，产生触发采样信号，主控开始采样，这样设计可以在没有输入信号时，对系统进行休眠操作，降低了系统运行时的功耗；主控采样电路的主要作用是采样经滤波、放大后的输入信号，并对其进行数据分析。本实用新型针对pvdf薄膜产生的微弱输入信号进行了一系列处理后，得到可供采样分析的稳定信号，提高了系统采样的稳定性与抗干扰能力，从硬件层面屏蔽了大多数无用信号干扰，使软件设计工作变的更加简单。
36.结合图2所示，电荷放大电路部分包括有第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第一电容c2、第一集成运算放大器u1a。其中第一电阻r1一端与pvdf薄膜信号输入相连，而另
一端连接至第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端分别与第一集成运算放大器u1a的反向输入端、第一电容c2的一端、第二电阻r2的一端相连，第一集成运算放大器u1a的同向输入端与gnd相连，输出端out1分别与第一电容c2的一端、第二电阻r2的一端、低通滤波电路部分第三电阻r3的一端相连，第一集成运算放大器u1a的v
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与
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5v相连。
37.低通滤波电路部分包括第三电阻r3、第四电阻r4、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第七电容c7、第一集成运算放大器u1b。其中第三电阻r3一端连接电荷放大电路的第一集成运算放大器u1a的out1输出端，另一端与第四电阻r4、第四电容c4的一端相连，第四电阻r4另一端分别与第三电容c3的一端、第一集成运算放大器u1b的同向输入端相连接，第三电容的另一端连接至gnd，第四电容c4的另一端与第一集成运算放大器u1b的输出端out2、第一集成运算放大器u1b的反向输入端、第五电容c5的一端、第九电容c9的一端、第五电阻r5的一端相连，第五电容c5的另一端与gnd相连，第一集成运算放大器u1b的v+分别与第七电容c7的一端、5v相连，第七电容c7的另一端与gnd相连。
38.工频滤波电路部分主要包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11。其中第五电阻r5一端分别与低通滤波电路的第一集成运算放大器u1b的输出端out2、第九电容c9的一端相连，第五电阻r5的另一端分别与第六电阻r6一端、第十一电容c11的一端相连，第六电阻r6的另一端分别与第十电容c10的一端、第二集成运算放大器u2a的同向输入端连接，第九电容c9的另一端分别与第十电容c10的另一端、第七电阻r7的一端相连，第十一电容c11的另一端分别与第七电阻r7、第八电阻r8的第2脚相连，第八电阻r8的第1脚与gnd相连，第八电阻r8的第3脚分别与第二集成运算放大器u2a的反向输入端、第二集成运算放大器u2a的ou1输出端、主放大电路第九电阻r9的一端相连，第二集成运算放大器u2a的v
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与
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5v相连。
39.主放大电路主要有第九电阻r9、第十电阻r10、第十二电容c12、第二集成运算放大器u2b组成。其中第九电阻r9的一端与工频滤波电路的第二集成运算放大器u2a的out1端、第八电阻r8的第三脚相连，另一端分别与第二集成运算放大器u2b的反向输入端、第三芯片u3的第10脚相连接，第二集成运算放大器u2b的同向输入端分别与第十电阻r10的一端、动态调整电路第六集成运算放大器u6的输出端、第六集成运算放大器u6的反向输入端相连接，第十电阻r10的另一端与5v相连接，第二集成运算放大器u2b的v+与5v相连接，第十二电容c12的一端与5v相连，另一端与gnd相连，第二集成运算放大器u2b的输出端out2分别与第三芯片u3的第2脚、第十一电阻r11相连。
40.动态调整电路由第五芯片u5、第三芯片u3、第十三电容c13、第十四电容c14、第六芯片u6、第八电容c8、第五芯片u5、第六电容c6组成。其中第五芯片u5的第1脚、第2脚、第3脚分别连接至cpu的信号输出脚，第五芯片u5的第4脚分别与5v、第十三电容c13的一端相连，第十三电容c13的另一端与gnd相连，第五芯片u5第5脚与第六集成运算放大器u6同向输入端相连接，第五芯片u5第6脚连接至gnd，第六集成运算放大器u6的反向输入端分别与第六集成运算放大器u6的输出端、第十电阻r10的一端相连接，第六集成运算放大器u6的正极分别与5v、第十四电容c14的一端相连接，第十四电容c14的另一端与gnd相连接，第三芯片u3第6脚与gnd相连，第三芯片u3第7脚、第8脚、第9脚、第10脚分别连接至cpu的信号输出脚，第三芯片u3的第5脚与第六电容c6的一端相连接，第六电容c6的另一端与gnd相连，第三芯片u3的第4脚与gnd相连，第三芯片u3的第1脚分别与第八电容c8、5v相连接，第八电容c8的另
一端与gnd相连接。
41.采样触发电路主要由第十一电阻r11、第十五电容c15、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十六电容c16、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电容c17、第四芯片u4、第一三极管q1组成。其中第十一电阻r11的一端连接至主放大电路的第二集成运算放大器u2b的输出端out2，另一端连接至第四芯片u4的第5脚，第四芯片u4的第4脚与gnd相连，第四芯片u4的第6脚分别与第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十六电容c16的一端相连接，第十二电阻的另一端连接至5v，第十三电阻r13的另一端与gnd相连，第十六电容c16的另一端与gnd相连，第四芯片u4的第7脚与第十五电阻r15的一端相连接，第四芯片u4的第8脚分别与第十五电容c15的一端、5v相连接，第十五电容c15的另一端与gnd相连接，第十五电阻r15的另一端分别与第十四电阻r14的一端、第一三极管q1的基极相连接，第一三极管q1的集电极分别与第十四电阻r14的另一端、5v相连接，第一三极管q1的发射极分别与第十六电阻r16的一端、第十七电容c17的一端、cpu控制检测引脚exti01相连接，第十六电阻r16的另一端与gnd相连接，第十七电容c17的另一端与gnd相连接。
42.pvdf薄膜信号输入信号经过电荷放大电路后将原先输入信号较小的电荷量进行放大，再通过低通滤波电路滤除工作频率1khz以上的无用干扰信号，得到工作频率1khz以下可采样的有用信号，该信号再经过工频滤波电路对线路上存在的50hz交流工频干扰信号进行滤波，经过工频滤波处理后的干净信号，通过主放大电路对有用信号进行放大，通过动态调节电路对放大电路进行调节，得到适合采样的输出信号，输出信号经过采样触发电路触发cpu进行采样，在没有触发信号时，系统直接进入休眠，大大降低了系统运行时的功耗。
43.本实用新型针对pvdf薄膜产生的微弱输入信号进行了一系列处理，得到可供采样分析的稳定信号，提高了系统采样的稳定性与抗干扰能力，从硬件层面屏蔽了大多数无用干扰信号，使软件设计工作变的更加简单，同时通过智能的调节以及可靠的功耗控制策略，使得系统采样范围、精度都大大提高，系统功耗也大大降低，节能环保，同时也对硬件成本进行了有效的降低，减少了不必要的开支。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。