论文总字数：17933字

目 录

第1章 绪论 5

1.1研究背景 5

1.2研究现状 5

1.3研究方法 6

第2章 与市面上常见预警系统的比较 7

2.1 与大气电厂仪的比较 7

2.2 与雷电预警监测站的比较 7

2.3 与其他系统的比较 8

第3章 系统的总体设计 8

第4章 系统硬件设计 9

4.1雷电传感器 9

4.2主控芯片的硬件设计 11

4.3 峰值检测电路 12

4.4 无线通讯模块 13

第5章 系统软件设计 15

5.1 主控芯片的软件设计 15

5.2 通讯和上位机模块的软件设计 19

第6章 总结与展望 22

6.1总结 22

6.2展望 23

参考文献 23

致谢 24

基于单片机的雷电预警系统

张银伟

，China

Abstract: The construction of a good lightning protection system can greatly reduce the disaster caused by lightning disaster, better maintain the stability of power and mechanical system, reduce the loss of human and material resources, but also understand the understanding of nature and research work to provide treasure data. The system consists of lightning signal acquisition module, core management and control module, data display module, data storage module, clock module and PC host computer module together. This system uses the flexible Rogowski coil to become the main components of the lightning current sensor, using STM32F103RBT6 as the center, with its internal possession of the three twelve ADC to take the value of the detection of the external peak lightning current. It is necessary to design the detection circuit. Finally, the wireless ZigBee module is used to set up the wireless sensor network, and the system of remote monitoring and monitoring the lightning current parameter threshold can be deeply excavated. Send an alert message to the user via the phone app.

Keywords: lightning warning，STM32F103RBT6，WSN

第1章 绪论

1.1研究背景

从古至今，人们一直对气象进行研究，从没有中断。这是因为气象对人们的生产生活起到非常重要的作用，例如农作物的生长无时无刻不受气象条件的影响,例如飞机的起飞和着陆，以及飞机在高空的飞行会受到各种气象条件的制约，如雷暴、暴雨会造成飞行事故，风雪、冷热会大幅降低飞行质量等；例如交通领域中的各种气象条件，如风、浓雾、能见度、暴雨、冰雪、雷暴、积水等也对海、陆、空的交通造成不同的影响；而在工业生产中，气象的影响更是广泛而且深刻。原料的储存和运输，输电线路的无故障运行，水管和输油管线的防冻抗裂，高空作业（如工程机械）的防风预警以及室外各种通讯和自动化设备的抗雷干扰等。

雷电是一种常见的自然现象，其破坏力非常的强悍。这些年来，与全球气候变暖有关的恶劣天气或者是气候等的事件在世界上绝大多数地方出现得越来越频繁，造成数以千计的祸患和伤害，给经济发展、生态环境保护以及人类身体健康带来数不尽的不利影响。每年4月以来，雷电的次数明显呈上升的趋势，发生的有关雷电袭击事件也不断增多，造成了及其恶劣的影响，对人民大众的生活生产和身体健康产生了伤害，造成了数以亿计的损失。

闪电的发生带来的不仅仅是潜在的森林火灾、油库爆炸、输电线破坏、无线电通讯中断、建筑物或人畜伤害以及飞行事故等灾害，同时也会产生强大的闪电电流、炽热的高温以及强电磁辐射。我们所能见到的电子器件就很容易受到雷电的袭击从而导致它的正常运作，甚至可能造成爆炸、火灾等的严重后果。下面是在中国气象学会的统计资料里的描述：2005 年 6 月 15 日，江苏扬州市遭雷击，6 条供电线路被雷击停电，市区多处住宅小区大面积停电。同时仪征市仪征化纤公司也遭到雷击，全厂停产。此次雷击造成的直接经济损失 3000 万元以上。同年八月，江苏大丰市遭雷击，造成人员 3 死 1 伤。同样在浙江，2005 年 5 月绍兴市海雅服饰有限公司一幢较大厂房遭雷击，引燃大火，整座厂房被烧毁，此次雷灾造成的直接经济损失达 100多万元。而这样的实例在我国各个省份每年都大量的存在，尤其是东南沿海更是普遍。例如江西单 2006 年 4 月一月，因雷击造成供电线路用变压器损坏数量就超过 30 台，直接经济损失达到 300 万元以上。

1.2研究现状

人们对雷电现象的研究起始于18世纪的中叶，Benjamin Franklin 首次用科学方法研究雷电，观察出雷电是一种放电现象。在我国多个地区雷电活动非常频繁。雷电活动对电子设备的影响非常大，容易造成火灾或爆炸等危害。因而对雷电进行检测预警是具有及其重要的现实意义的。

因此利用现代仪器仪表技术对气象灾害进行预警，符合我国的气象国情，同时也有利于大幅降低自然灾害对生产生活所造成的影响。而在当前气象灾害、地质灾害等的预报预警，都离不开高效、可靠以及高精密的测量仪器设备。这些仪器设备在任一领域内 或任一垂直关口的技术性突破都会吸引众多的社会关注。这些也从侧面证明了气象灾害预警对行业以及社会所能发挥的重大实效性作用。

雷电传感器、风速测量装备、光照度测量设备以及雨量、气压等分析测量设备都能对气象灾害起到重要的预警作用。尤其在工业领域，在灾害发生前的设定时间范围内，提前测量感知气象条件参数的异常变化，及时进行预警判断并自动关断相应的生产设备或告知相关的人员提前进行处理，就可以大幅降低因气象灾害造成的工业损失。这种通过将气象与工业生产的结合，以小的投入换来大生产效益的方式对于企业而言是非常值得的。

目前，为保障电力设施的安全稳固运转，国家电网致力于建成全国性的统一雷电监测网，大量的雷电定位系统已在电力系统中投入使用，可以实现全国大范围的雷电特征数据长期统计和实时记录，充分利用各区域所记录的雷电特征数据，可以更好的研究雷电在我国各区域分布的特性和统计性，而对于现有设施和相关算法的改进，能促进雷电监测和定位系统更好地为气象、电力、航天、交通等行业服务，对于雷电防治也具有积极意义。

1.3研究方法

气象影响着我们生产生活的方方面面。尤其在我国，我国是一个气候条件多样的国家，多样的气候条件虽然为我们带来了丰富的自然财富，但也使得我国国土面积的大部分都处于气候恶劣区，各种自然灾害频发。在气象学会的描述中，中国是世界上自然灾害发生十分频繁、灾害种类甚多，造成损失十分严重的少数国家之一。

了解了雷电带给我们的伤害，我们有必要研究防护雷电伤害的方法。随着科技的不断进步，人们对于雷电的监测预警方法也是层出不穷。根据闪电发生前以及发生时所产生的物理现象，各种不同的雷电预警装置系统被研制出来。这些不同的技术装备都是为了实现一个共同的目标，也就是在闪电来临前，尤其是具有危害性的闪电来临前进行报警。

前期的方法有示波器法、磁带法、定位测量等办法，现在运用较为普遍的有雷电定位系统，但是它们都有着测量范围小或测量精度不够高等的局限性。这个系统取用柔性罗果夫斯基线圈来成为雷电流传感器的主要部件，利用 STM32F103RBT6 为中心，以它内部拥有的三个十二位的ADC来进行采样取值，对于检测外围的雷电流峰值需要设计检测电路，最后采用无线 ZigBee 模块来设立无线传感器网络，深入挖掘能够远程监测预警雷电流参数阈值的系统。这个系统是一种可以在雷电波出现之后提出有效安全的信息的系统，可以对雷暴进行前瞻性探测，在检测到有雷电波的时候可以第一时间发送信息到上位机中，通过一系列的排序及作图可以预知危险。

第2章 与市面上常见预警系统的比较

2.1 与大气电厂仪的比较

国内市场目前采用的雷电预警系统多为直接从国外采购，国内厂商生产的雷电传感器主要是大气电场仪。大气电场仪是依靠电场风车类型的侦测探头来测量大气电场及其变化的设备, 当云中发生电荷分离时, 地面电场将发生相应的变化,通过大气静电场仪传感器的动片旋转，使它的定片的感应电荷转换为与大气电场成正比的电压量, 再由大气电场仪来处理并显示电场值。大气电场强度是大气电学的基本参数, 在雷暴和闪电监测中具有重要作用。当大气电场仪探测到云中的弱放电时, 即可知闪电即将发生。当雷雨云层形成或靠近的时候, 大地静电场的电场强度开始急剧变化, 达到设置预警阈值时, 系统会根据可能发生的雷电强度,发出预警信号。

而大气电场仪在国外已经处于逐渐被淘汰的位置。与本文所设计的雷电预警系统比较，它们的探测半径都差不多，基本是50千米左右。但是，成本有很大的不同，市面上一个大气电厂仪大概要50万的样子，而本文所说的系统只要不到5千块。这样，大气电厂仪就不能广泛使用，在一个区域装载的数量就比较有限，从而整个区域的检测精度就不高，不能准确地雷电预警。然而本文的系统就不存在这样的问题，它能在固定区域以探测半径为基础放置适合的数量达到全方位探测，及时进行雷电预警。它还有一个大气电厂仪所不具备的能力，那就是它有配套的app可以推送消息到手机上，让大众随时随地了解情况。

2.2 与雷电预警监测站的比较

中科院空间中心研发了DNDY雷电监测预警系统，包括闪电监测定位系统和DNDY型地面电场仪系统。可以有效的检测雷电的时间和地点。它能够实时计算显示云对地雷击的发生时间、位置、雷电流幅值和极性等雷电参数，并以雷击点的分时彩色图清晰地显示出雷电的运动轨迹，有利于在大范围内实时监测雷电的发生、发展和成灾情况。雷电监测站能够探测云地闪的发生位置和移动趋势，并将数据发送到远程中心站进行多站综合定位处理，为易受雷击影响行业提供服务。

经过二十多年的组建，我国的雷电定位系统已经在全国的二十八个省市自治区建成并投入使用。但是，全国范围内的闪电监测网尚未形成, 前期工作十分的繁重，而且想要准确定位有一定的难度，在地形比较复杂的地方更难测量。而且这个站点的位置是固定的，它并不像本文的系统可以放在动车或飞机上，是可以移动的，能根据不同地点产生雷电预警。本系统能够放在不同的地点，联合形成一个相似的定位网络，将所有区域的雷电情况完整监测，而不是只在雷电多发区。

2.3 与其他系统的比较

另外市场中也存在一些手持式雷电报警器的装备，这种手持式装备主要被用于户外运动。对比本系统，作为工业设备的雷电预警，通常可靠性过低。而且它们的雷电监测系统的成本较高，前期的研发时间较长，投入运营的最终结果不太理想，存在准确性低，普及范围小，消息推送不及时等缺点。

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