有時(shí)在雷暴期間測(cè)量我們與閃電之間的距離非常有用。這種測(cè)量可以了解雷暴是接近還是遠(yuǎn)離。計(jì)算可以手動(dòng)完成，也可以使用計(jì)時(shí)器完成，但我們想構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電子電路來(lái)執(zhí)行測(cè)量。

雷聲和閃電

雷聲是由閃電引起的強(qiáng)烈噪音，根據(jù)其性質(zhì)和與觀察者的距離，可以表現(xiàn)為尖銳而有力的打擊或低沉而持久的轟鳴聲。雷電和閃電發(fā)生在同一個(gè)地方，但是光速和聲速有很大的不同，因此這兩個(gè)事件是在不同的時(shí)刻被感知的，如圖1所示。

圖 1：雷聲和閃電不是同時(shí)感知的，因?yàn)樗鼈兊乃俣炔煌?/p>

雷聲的隆隆聲跟隨閃電的光芒，因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣缺嚷曇舻乃俣雀臁蓚€(gè)電量如下：

? 光速為每秒299,792,458 米；

? 聲音在空氣中的傳播速度僅為每秒 331 米。

兩種速度之間存在很大差異。無(wú)論距離觀察者多遠(yuǎn)，都能立即看到閃電的光芒。你可以這樣計(jì)算雷暴的距離：在你看到一道閃電之后，數(shù)一數(shù)直到你聽(tīng)到雷聲的秒數(shù)。將您計(jì)數(shù)的秒數(shù)除以 5 得到英里數(shù)，或除以 3 得到公里數(shù)。例如，如果從閃電到雷聲計(jì)算 8 秒，則雷暴距離為 1.6 英里或 2.6 公里。

邏輯圖

如圖2所示，系統(tǒng)由以下邏輯部分組成：

? 中央單元，配備微控制器及其固件、顯示屏 LCD 和按鈕，用于模擬閃電和雷聲。這個(gè)單元是完全獨(dú)立的，它工作得很好；

? 作為電路可選部件的外部傳感器。它們使檢測(cè)閃電和雷聲的過(guò)程自動(dòng)化。它們必須由電子元件構(gòu)成。如果您想要更多的獨(dú)立性但更復(fù)雜，您可以自己構(gòu)建它們。

圖2：系統(tǒng)流程圖

主系統(tǒng)

主系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立電路，無(wú)需外部附件即可工作。這是測(cè)量雷暴距離的最簡(jiǎn)單的解決方案。它是手動(dòng)工作的，確實(shí)你必須在發(fā)生閃電時(shí)按下第一個(gè)按鈕，在聽(tīng)到雷聲時(shí)按下第二個(gè)按鈕。系統(tǒng)計(jì)算兩次按壓之間的時(shí)間，然后計(jì)算雷暴的距離。我們可以在圖 3 中看到電氣原理圖。

圖 3：雷暴計(jì)算器的完整工作基本電氣原理圖

系統(tǒng)的中央大腦是一個(gè) 16F1826 微控制器，但您可以使用任何類型的 MCU。它的振蕩是通過(guò) 22pF 的陶瓷電容器和 20 Mhz 的晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)您看到天空中有閃電時(shí)，必須按下“LIGHTNING”按鈕。當(dāng)您聽(tīng)到雷聲時(shí)，必須按下“THUNDERS”按鈕。PORTA0 和 PORTA1 數(shù)字輸入端口通過(guò)兩個(gè)下拉電阻（R1 和 R2）接地，以確保在未按下按鈕時(shí)為低數(shù)字電平。如果輸入信號(hào)非常短或不規(guī)則，則 C3 和 C4 電解電容器會(huì)平滑輸入信號(hào)（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：C3 和 C4 對(duì)輸入信號(hào)起到去抖作用

然后，MCU 計(jì)算雷暴的距離并將結(jié)果顯示在 LCD 上。它僅使用 4 條數(shù)據(jù)線連接到微控制器。RV1 電位器（或微調(diào)器）允許設(shè)置正確的顯示對(duì)比度，不能省略。J1 和 J2 是外部連接，用于自動(dòng)化檢測(cè)閃電和雷聲的過(guò)程。您可以將電路和傳感器連接到這些端子（見(jiàn)下文）。“重置”按鈕在按下時(shí)重新啟動(dòng)整個(gè)過(guò)程。

固件和流程圖

微控制器的固件是用 Proton 編譯器用 Basic 語(yǔ)言編寫(xiě)的。使用 PIC16F1826 不需要 License Key，您可以免費(fèi)下載和編譯。顯然，您可以使用任何語(yǔ)言和任何編譯器。如圖 5 所示，固件分為幾個(gè)部分。第一部分包含所用設(shè)備的聲明、符號(hào)、變量和端口設(shè)置。第二部分等待閃電，檢查 PORTA.0。顯示屏上的一條消息對(duì)此進(jìn)行了警告。第三部分等待雷聲，計(jì)算經(jīng)過(guò)的十分之一秒并將其顯示在顯示屏上。最后一部分執(zhí)行雷暴距離的計(jì)算（以米為單位），并將其顯示在顯示屏上。

圖 5：固件流程圖

應(yīng)用

使用該設(shè)備非常簡(jiǎn)單。下雨時(shí)，打開(kāi)電路并等待閃電。“等待閃電”消息出現(xiàn)在顯示屏的屏幕上。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，立即按下連接到 PORTA.0 的標(biāo)有“LIGHTNING”的按鈕。十分之一秒的計(jì)數(shù)開(kāi)始，直到您按下標(biāo)有“THUNDERS”并連接到 PORTA.1 的第二個(gè)按鈕，與雷聲相對(duì)應(yīng)。計(jì)數(shù)停止，雷暴的距離（以米為單位）顯示在顯示屏上（見(jiàn)圖 6）。

圖 6：電路的操作順序

主系統(tǒng)電子元件

這是用于構(gòu)建主系統(tǒng)的電子元件列表。電阻的功耗可以是1/2W或1/4W。

? R1-R2-R3：電阻 10k Ohm

? RV1：電位器 10k Ohm

? C1-C2：陶瓷電容器 22 pF

? C3-C4：電解電容 22uF / 16 VL

? 3 個(gè)按鈕 不適用

? LCD1：顯示 LCD 16×2

? U1：單片機(jī) PIC16F1826

? X1：晶體 20 Mhz

如何自動(dòng)化檢測(cè)程序

主系統(tǒng)工作得很好，但是當(dāng)閃電和雷聲發(fā)生時(shí)，您必須按下按鈕。無(wú)論如何，手動(dòng)程序是最好的，因?yàn)樗苊饬俗詣?dòng)傳感器的錯(cuò)誤檢測(cè)，操作員可以選擇如何執(zhí)行。但是，要允許自動(dòng)檢測(cè)，您必須構(gòu)建一個(gè)閃電檢測(cè)器和一個(gè)雷電檢測(cè)器。前者使用光傳感器，后者使用駐極體麥克風(fēng)。讓我們看第一個(gè)一般示意圖。下面顯示的解決方案只是一般示例。您可以根據(jù)自己的需要采用任何想法。

閃電傳感器

該設(shè)備必須“捕捉”閃電的光，將其放大并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0V 和 5V 之間的數(shù)字電壓（見(jiàn)圖 7）。它必須由微控制器讀取。傳感器必須非常快，所以光敏電阻不好。您可以使用光電二極管。電路的增益由以下關(guān)系決定：

G=1+(R11/R10)

您可以通過(guò)選擇不同的電阻值來(lái)改變?cè)鲆妗?a target="_blank">運(yùn)算放大器的增益必須非常高。輸出信號(hào)必須達(dá)到飽和，因?yàn)樗仨毷?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)。

圖 7：閃電探測(cè)器的電氣原理圖

這是用于構(gòu)建閃電傳感器的電子元件列表。

? R10：電阻 1k Ohm

? R11：電阻 470k Ohm

? R12-R13：電阻 470 歐姆

? R14：220k 歐姆

? C6-C7：電解電容1uF/16VL

? D1：光電二極管

? U3：運(yùn)算放大器 LT1077 或同等產(chǎn)品

雷霆傳感器

該設(shè)備必須“聽(tīng)到”雷聲，將其放大并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0V 至 5V 之間的數(shù)字電壓。此外，它必須由微控制器讀取。圖 8 所示的電路使用駐極體麥克風(fēng)和運(yùn)算放大器來(lái)放大信號(hào)。這種類型的麥克風(fēng)必須通過(guò)電阻器供電才能正常工作。一個(gè)低通濾波器結(jié)束電路并切斷高于 300 Hz 的信號(hào)。如果您不喜歡它的響應(yīng)，可以修改或移除低通濾波器。電路的增益由以下關(guān)系決定：

G=1+(R6/R5)

您可以通過(guò)選擇不同的電阻值來(lái)改變?cè)鲆妗Ｍ瑯釉谶@種情況下，運(yùn)算放大器的增益必須非常高。輸出信號(hào)必須達(dá)到飽和，因?yàn)樗仨毷菙?shù)字信號(hào)。

圖 8：雷電探測(cè)器的電氣原理圖

這是用于構(gòu)建閃電傳感器的電子元件列表。

? R5：電阻 1k Ohm

? R6：電阻 470k Ohm

? R7-R8：電阻 470 歐姆

? R9：10k 歐姆

? C3-C4-C5：電解電容1uF/16VL

? MIC：駐極體麥克風(fēng)

? U31 運(yùn)算放大器 LT1077 或同等產(chǎn)品

雷聲是由閃電引起的噪音。它的頻率很低，但非常強(qiáng)大。正如我們?cè)趫D 9 的圖表中看到的那樣，濾波器會(huì)截?cái)喔哳l。

圖 9：雷聲的音頻頻譜分析

結(jié)論

使用這個(gè)設(shè)備非常簡(jiǎn)單。我們更喜歡手動(dòng)使用它的可靠性。為獲得最佳效果，請(qǐng)將麥克風(fēng)和光電二極管指向天空。知道雷暴的距離是非常有用的。如果它正在到達(dá)，您可以到達(dá)一個(gè)有遮蔽的地方，以盡量減少發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。很多時(shí)候，雷暴可能非常危險(xiǎn)。您可以將設(shè)備存放在塑料盒中，以保護(hù)電子元件并賦予系統(tǒng)美觀的設(shè)計(jì)。如果您使用自動(dòng)傳感器，則運(yùn)算放大器只能用相應(yīng)的型號(hào)代替。

審核編輯 黃昊宇