区域高精度雷电预警装置的设计研究
区域高精度雷电预警装置的设计研究大气电场是一个非常重要的雷电参数，雷电的发生总是与大气电场密切相关。晴天时地面的大气电场强度一般为每米几百伏，而当雷电发
生时这一数值可以达到每米几千伏甚至更高。因此，监测地面电场的数值及其变化对雷电的预警有着重要的作用。
目前国内外地面大气电场监测普遍采用旋转式地面大气电场仪，其根据动态感应原理在感应片上产生感应信号，该信号经放大、
整流、滤波后得到与电场强度成线性的直流电压信号。感应信号的放大属于微弱电流信号放大，如何从采集到的信号中提取出微弱的感应
电流信号，并进行有效的放大，就成为前置放大电路设计的关键。本雷电预警装置通过结构改进，有效地降低了噪声信号对有效感应信号
的影响，同时运用低功耗高性能单片机组成信号采集与处理电路，利用该款单片机丰富的内部资源，极大地简化了电路。上位机软件实现
电场数据的可视化实时监测，通过设定电场阈值，完成对雷电的及时预警。
1 探头结构部分及其工作原理
本雷电预警装置中大气电场仪传感器探头主要由动片、感应片、小叶片等组成。感应片为分离的四片，相对的两片为一组，分为A
、B两组，每组的形状与动片完全相同，动片和感应片均选用黄铜材料制成。根据动态感应原理可知，无刷电机带动动片周期性的切割垂直
入射在感应片上的电场线，则在感应片上产生周期性的微弱交流电流信号，并且A、B两组感应片上的感应电流信号的相位相差180度。同时
，小叶片按同样的频率周期得通过光电开关的凹槽，发光二极管的光路就被周期切断或通过，使光电三极管处于导通和截止两种状态，从
而产生一同步脉冲信号。
2 前置放大电路
本雷电预警装置大气电场仪前置放大电路的原理框图如图2，感应片上的微弱交流电流信号经I-V转换电路放大后变为交流电压信号
，该电压信号和光电开关形成的同步信号一起送入相敏检波器，经检波辨别出电场的正负极性，检波后的信号经低通滤波后，最终得到与
被测电场成线性关系的直流电压信号即单片机的输入信号。
2.1I-V转换电路
在I-V转换电路中，对感应电流信号进行两级放大，第一级使用两个精密仪表放大器，对从A、B两组感应片上采集到的信号分别进
行放大，放大后的信号近似于正弦电压信号，但两组信号在相位上仍相差180度；第二级为差分电路，利用差分电路抑制共模信号放大差模
信号的特性，最终实现噪声信号的滤除。在第一级放大中使用了低偏置电流、高输入阻抗的精密运放，第二级放大中使用了低输入失调电
压运放。
2.2相敏检波和滤波电路
感应信号经 I-V转换电路放大后，得到与地面电场成比例的正弦电压信号，通过计算该电压信号的大小，可以推算出地面电场的
强度，但不能辨别出电场的正负极性。为此，我们采用相敏检波的方法来解决这个问题。探头中小叶片周期得通过光电开关的凹槽，发光
二极管的光路就被周期切断或通过，使光电三极管处于导通和截止两种状态，从而产生一同步脉冲信号，该信号与感应信号同频，并且通
过调整光电开关的放置位置，可以使该同步脉冲信号与感应信号同相。将同步脉冲信号和放大后的交流信号同时输入到四通道模拟开关，
对感应信号进行检波。检波后的信号经低通滤波器后即可得到平滑的直流电压信号，通过观察滤波之后直流电压的正负极性，可以辨别出
被测电场极性。
2.3电压调整及偏移电路
为了调整被测电场与最终输出电压的线性关系，在滤波后还需经过一级调整电路，通过该电路，可以设定一种对应关系，例如
100v/m的电场强度对应10mv的直流输出电压。同时，由于滤波输出电压为双极性，而单片机内置AD的输入电压为单极性，因此在电压调整
之后还应添加一电压偏移电路，将双极性输出变为单极性输出。
3 信号采集与处理电路
在信号采集与处理部分，采用超低功耗16位混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。该处理器内部ADC12模块支持快速的12
位A/D转换，应用了12位的SAR核、采样选择控制、参考产生和16位的转换控制缓冲区，转换控制缓冲区可以支持多达16个ADC采样转换存储
。该单片机提供的串口通信模块为USART，该模块既可以作为UART使用，提供异步通信功能；也可以作为SPI使用，提供同步通信功能。本
处理部分利用其内部的USART串口传输模块外接芯片构成串行485的一部通信方式传输方式，大大提高数据传输的距离和稳定性。
信号采集与处理电路的结构框图见图3，信号采集与处理电路、前置放大电路以及电源电路的实物如图4。
单片机软件部分使用C语言进行编程，全部以模块化设计，程序流程图如图5所示。
4 上位机软件设计
本雷电预警装置大气电场仪上位机软件采用Delphi编程，主要包括数据接收和处理模块、数据曲线显示模块、曲线的局部放大模
块、历史数据查询模块、雷电预警模块，应用软件结构如图6所示，软件界面如图7所示。
数据接收和处理模块用来接收单片机上传的电场数据，并对原始数据进行处理，处理后的电场数据存入电场数据库。数据曲线显
示模块用以形象地显示电场仪周围地区雷暴产生前后电场强度变化与时间的关系。曲线的局部放大模块用来查看短时间内电场变化的趋势
，分析雷暴云的类型，研究雷电活动与电场变化的关系等。历史数据查询模块主要方便用户能够对雷暴过程作进一步的分析。雷电预警模
块主要根据预置的电场阈值对雷电进行预警，为了更容易引起用户的注意，一般采用“声音报警”，并且用户可以开启和关闭报警功能。
上位机软件的不同模块之间既相互独立，又共享同一个数据库。
5 结语
本雷电预警装置前端关键设备大气电场仪，采用了独特的结构，选用了相匹配的前置放大电路，有效地减少了干扰噪声对电场测量
所带来的误差，提高了仪器的灵敏度和精度，同时采用430单片机作为数据采集与处理核心，简化了电路设计，降低了调试难度。简洁实用
的上位机软件满足了用户可视化监测和预警的需要。与国内外同类电场仪相比，该仪器还具有加工简单、成本较低、性能稳定、使用方便
等特点，有利于大气电场仪在各地雷电预警系统中的推广和应用。 雷电会引起家庭失火，损坏家用电器，甚至危及人身安全。这里提供的装置可对雷电进行早期预警。
此装置实际上就是一个极其灵敏的静电检测器，它可以在发生雷击前，根据云层内部的放电而发出早期声光报警。由一根短导线构成的天线可检测半径3.2km范围内的云中放电。
当每次检测到云层放电时，蜂鸣器就发出报警声，或者led闪烁，从而可以给出较为充裕的时间来采取预防雷击措施如拔下调制解调器上的电话线、关断计算机电源并拔下插头等。
工作原理
电路原理见图1（点击下载原理图），此装置的基本特点是调整电路使逼近自激振荡状态。由图中所示的偏置电阻值可获得最佳的张弛特性。此振荡器为直流耦合，而反馈支路为晶体管tr1的集电极至tr2基极。环路总增益由多圈（12、18可20圈）预置电位器vr1设定。
电容器c3设定了tr2发射极的固定电位，而接在vr1滑动触点上的电容器c2在振荡时增加了相移。这里用的晶体管为bc109c，实际上任何同类的小信号、高增益晶体管都可用。
一旦触发起振，tr2的集电极就输出42khz的振荡信号，并经c4耦合到tr3的基极，再经二极管d1整流，得到正向电压作为tr3偏置，使其导通，从而在tr3的发射极上输出直流电压，驱动自激式压电发声器wd1。如果需要，可加一脉动发光二极管支路而获得可报警。
元器件选择
调试
在开始调试时，先改变vr1电路起振，这可在tr1上进行检测，此点电压应为7v峰—峰值。测试点tr2上应为＋6v直流。现在略微回调vr1使振荡停止。用起子触及c1接天线处，反复几次，报警器应发声1秒或2秒钟，然后停止。如果连续发声，则可再次微调vr1，再检测，直至符合只发声1、2秒钟的要求。另一种方法是用一根带电的塑料直尺（可与干燥的毛发摩擦使其带电），在距离天线两米的地方用手指逼近塑料尺而使其放电，并观察能否使wd1发声1秒或2秒钟。
电路由9v电池供电，在准备状态时，耗电约600ua。一个新电池可连续监控一年多。
发生报警时，耗电取决于所用的低电流发声器wd1，整机耗电可达4MA.
元器件选择见下表
R1电阻10M
R2电阻330K
R3电阻100K
R4电阻15K
R5*电阻33K
VR1多圈电位器10K
C1瓷片电容100P
C2瓷片电容470P
C3瓷片电容10n
C4瓷片电容4.7n
C5、6电解电容47u
D1开关二极管IN4148
D2发光二极管LED
TR1-3晶体三极管BC109C 或同类的小信号、高增益晶体管
WD1蜂鸣器尽可能选用高灵敏度的以降低功耗
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