簡單的閃電測量電子電路實現(xiàn)方案

有時，在雷暴天氣測量我們與閃電之間的距離非常有用。通過這個測量，可以了解雷暴是正在接近還是正在遠(yuǎn)離。計算可以通過手動完成，也可以使用天文臺表進(jìn)行，但是本文希望設(shè)計一個簡單的電子電路來實現(xiàn)測量。

打雷和閃電

打雷是由閃電引起的強(qiáng)烈噪聲；視其性質(zhì)和與觀察者的距離而定，閃電可表現(xiàn)為銳利而有力的打擊聲或低沉而長時間的轟鳴聲。打雷和閃電發(fā)生在同一位置，但是光和聲音的速度非常不同，因此，這兩種事件是在不同的時間感覺到，雷聲和閃電由于其速度不同，因此不會同時感覺到。

由于光的傳播速度遠(yuǎn)快于聲音，因此雷鳴總是發(fā)生在電閃之后。以下是這兩者的大小：

?光的速度為每秒299,792,458米；

?聲音在空氣中的速度僅為每秒331米。

這兩個速度之間存在很大差異。無論觀察者相距有多遠(yuǎn)，都可以立即看到閃電的光芒。可以通過以下方式手動計算雷暴的距離：看到閃電后，計算直到聽到雷聲的秒數(shù)。將所計算的秒數(shù)除以5可獲得英里數(shù)，或除以3可獲得公里數(shù)。例如，如果從閃電到雷聲計數(shù)為8秒，則雷暴距離為1.6英里或2.6公里。

邏輯圖如圖2的示意圖所示，本系統(tǒng)由以下邏輯部分組成：

?中央單元，配有微控制器及其固件、LCD顯示屏，以及模擬閃電和雷聲的按鈕。這個單元是完全獨立的，并且工作良好。

?外部傳感器是電路的可選部分。它們可以使閃電和雷聲的檢測過程自動化。它們必須采用電子元器件設(shè)計。如果想要更多的獨立性而不怕更加復(fù)雜，也可自己設(shè)計它們。

圖2：系統(tǒng)流程圖。

主系統(tǒng)

主系統(tǒng)是一個獨立的電路，無需使用外部附件即可工作。這是測量雷暴距離的最簡單的解決方案。它可以手動工作，實際上，當(dāng)閃電發(fā)生時必須按第一個按鈕，當(dāng)聽到雷聲時必須按第二個按鈕。系統(tǒng)計算兩次按壓之間的時間，然后計算雷暴的距離。圖3給出了電氣原理圖。

圖3：雷暴計算器完全工作的基本電氣原理圖。

系統(tǒng)的中央大腦是16F1826微控制器，但也可以使用任何類型的MCU。它的振蕩是由20MHz晶振和兩個22pF陶瓷電容器所產(chǎn)生的。當(dāng)看到天空中的閃電時，必須按下按鈕“LIGHTNING”。當(dāng)聽到雷聲時，必須按下按鈕“THUNDERS”。PORTA0和PORTA1數(shù)字輸入端口通過兩個下拉電阻（R1和R2）接地，從而確保在按鈕未按下時保持低電平。如果輸入信號很短或者不規(guī)則，則C3和C4電解電容器可以對它進(jìn)行平滑（請參見圖4）。

圖4：C3和C4對輸入信號進(jìn)行去抖動。

然后，MCU負(fù)責(zé)計算雷暴的距離并將結(jié)果顯示在LCD上。它僅使用4根數(shù)據(jù)線連接到微控制器。RV1電位器（或微調(diào)器）可以設(shè)置正確的顯示屏對比度，因此不能省略。J1和J2是外部連接，用于自動執(zhí)行閃電和雷聲檢測過程。可以將電路和傳感器連接到這些端子（請參見下文）。按下“RESET”按鈕，可以重新啟動整個過程。

固件和流程圖

微控制器的固件使用Proton編譯器以Basic語言進(jìn)行編寫。使用PIC16F1826不需要許可證密鑰，可以免費下載和編譯。顯然，可以使用任何語言和任何編譯器。如圖5所示，固件分為幾個部分。第一部分包含所用器件的聲明、符號、變量和端口設(shè)置。第二部分等待閃電，檢查PORTA.0。顯示屏上對此顯示一條提醒信息。第三部分等待雷聲，計算每經(jīng)過的十分之一秒并將其顯示在顯示屏上。最后一部分進(jìn)行雷暴距離的計算（以米為單位），并在顯示屏上將其顯示出來。

圖5：固件流程圖。

應(yīng)用

這個設(shè)備使用起來非常簡單。下雨時，打開電路并等待閃電。“WaitForLightn”信息出現(xiàn)在顯示屏上。發(fā)生這種情況時，立即按下連接到PORTA.0的標(biāo)有“LIGHTNING”的按鈕。系統(tǒng)以十分之一秒開始計時，直到按下第二個帶有“THUNDERS”標(biāo)記、與雷聲一致的連接到PORTA.1的按鈕。此時計數(shù)停止，顯示屏上顯示以米為單位的雷暴距離（見圖6）。

圖6：電路的工作順序。

主系統(tǒng)電子元件

以下列出了構(gòu)建主系統(tǒng)所用的電子元器件。電阻的功耗可以為1/2W或1/4W。

?R1-R2-R3：10kΩ電阻

?RV1：10kΩ電位器

?C1-C2：22pF陶瓷電容

?C3-C4：22μF/16V電解電容

?3個常開按鈕

?LCD1：16x2LCD顯示屏

?U1：PIC16F1826MCU

?X1：20MHz晶振

如何自動執(zhí)行檢測過程

主系統(tǒng)工作良好，但是在發(fā)生閃電和打雷時要按下按鈕。無論如何，手動操作是最好的，因為它可以避免自動傳感器錯誤檢測，并且操作員可以選擇執(zhí)行方法。但是，要實現(xiàn)自動檢測，就必須設(shè)計一個閃電探測器和一個雷聲探測器。前者可使用光傳感器，后者可使用駐極體麥克風(fēng)。下面來看第一個通用原理圖。以下所述解決方案只是一般示例，可以根據(jù)需要采用任何想法。

閃電傳感器

這個設(shè)備必須要能“捕獲”閃電所發(fā)的光線，將其放大并將該信號轉(zhuǎn)換為0V至5V之間的數(shù)字電壓（參見圖7）。微控制器必須對它進(jìn)行讀取。傳感器必須非?？欤虼?a target="_blank">光敏電阻不好——可以使用光電二極管。電路的增益取決于以下關(guān)系式：

G=1+(R11/R10)

可以通過選擇不同的電阻值來改變增益。運算放大器的增益必須很高。由于輸出信號必須是數(shù)字信號，因此必須達(dá)到飽和。

圖7：閃電探測器的電氣原理圖。

以下列出了構(gòu)建閃電傳感器所用的電子元器件。

?R10：1kΩ電阻

?R11：470kΩ電阻

?R12-R13：470Ω電阻

?R14：220kΩ電阻

?C6-C7：1μF/16V電解電容

?D1：光電二極管

?U3：運算放大器LT1077或同等產(chǎn)品

雷聲傳感器

這個設(shè)備必須要能“聽到”雷聲，將其放大并將該信號轉(zhuǎn)換為0V至5V之間的數(shù)字電壓。同樣，微控制器必須對它進(jìn)行讀取。如圖8所示，該電路使用駐極體麥克風(fēng)和運算放大器來放大該信號。這種麥克風(fēng)必須通過電阻供電才能正常工作。該電路以一個低通濾波器結(jié)束，從而切斷300Hz以上的信號。如果不喜歡低通濾波器的響應(yīng)，則可以對其進(jìn)行修改或刪除。電路的增益取決于以下關(guān)系式：

G=1+(R6/R5)

可以通過選擇不同的電阻值來改變增益。同樣，在這種情況下，運算放大器的增益必須很高。由于輸出信號必須是數(shù)字信號，因此必須達(dá)到飽和。

圖8：雷電探測器的電氣原理圖。

以下列出了構(gòu)建雷聲傳感器所用的電子元器件：

?R5：1kΩ電阻

?R6：470kΩ電阻

?R7-R8：470Ω電阻

?R9：10kΩ電阻

?C3-C4-C5：1μF/16V電解電容

?MIC：駐極體麥克風(fēng)

?U31：運算放大器LT1077或同等產(chǎn)品

打雷是閃電引起的噪聲。它的頻率很低，但非常有力。正如在圖9的圖表中所看到的那樣，濾波器可濾除高頻。

圖9：雷聲的頻譜分析。

總結(jié)

這個設(shè)備使用起來非常簡單。由于可靠性的關(guān)系，我們更喜歡手動使用。為了獲得最佳效果，可將麥克風(fēng)和光電二極管指向天空。知道雷暴的距離非常有用——如果有雷暴到來，我們就可以去往某個避難所，從而最大程度地降低事故風(fēng)險。通常，雷暴非常危險。為了保護(hù)電子元器件和為系統(tǒng)提供美觀的設(shè)計，可以將該設(shè)備存放在塑料盒中。如果使用自動傳感器，則運算放大器只能用相應(yīng)的型號替代。

（原文刊登于EDN姐妹網(wǎng)站EEWeb）
編輯：hfy