有時在雷暴期間測量我們與閃電之間的距離非常有用。這種測量可以了解雷暴是接近還是遠離。計算可以手動完成，也可以使用計時器完成，但我們想構(gòu)建一個簡單的電子電路來執(zhí)行測量。

雷聲和閃電

雷聲是由閃電引起的強烈噪音，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)生在同一個地方，但是光速和聲速有很大的不同，因此這兩個事件是在不同的時刻被感知的，如圖1所示。

圖 1：雷聲和閃電不是同時感知的，因為它們的速度不同

雷聲的隆隆聲跟隨閃電的光芒，因為光的傳播速度比聲音的速度更快。兩個電量如下：

? 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。無論距離觀察者多遠，都能立即看到閃電的光芒。你可以這樣計算雷暴的距離：在你看到一道閃電之后，數(shù)一數(shù)直到你聽到雷聲的秒數(shù)。將您計數(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。這個單元是完全獨立的，它工作得很好；

? 作為電路可選部件的外部傳感器。它們使檢測閃電和雷聲的過程自動化。它們必須由電子元件構(gòu)成。如果您想要更多的獨立性但更復(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)是一個獨立電路，無需外部附件即可工作。這是測量雷暴距離的最簡單的解決方案。它是手動工作的，確實你必須在發(fā)生閃電時按下第一個按鈕，在聽到雷聲時按下第二個按鈕。系統(tǒng)計算兩次按壓之間的時間，然后計算雷暴的距離。我們可以在圖 3 中看到電氣原理圖。

圖 3：雷暴計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 16F1826 微控制器，但您可以使用任何類型的 MCU。它的振蕩是通過 22pF 的陶瓷電容器和 20 Mhz 的晶體來實現(xiàn)的。當您看到天空中有閃電時，必須按下“LIGHTNING”按鈕。當您聽到雷聲時，必須按下“THUNDERS”按鈕。PORTA0 和 PORTA1 數(shù)字輸入端口通過兩個下拉電阻（R1 和 R2）接地，以確保在未按下按鈕時為低數(shù)字電平。如果輸入信號非常短或不規(guī)則，則 C3 和 C4 電解電容器會平滑輸入信號（見圖 4）。

圖 4：C3 和 C4 對輸入信號起到去抖作用

然后，MCU 計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)置正確的顯示對比度，不能省略。J1 和 J2 是外部連接，用于自動化檢測閃電和雷聲的過程。您可以將電路和傳感器連接到這些端子（見下文）?！爸刂谩卑粹o在按下時重新啟動整個過程。

固件和流程圖

微控制器的固件是用 Proton 編譯器用 Basic 語言編寫的。使用 PIC16F1826 不需要 License Key，您可以免費下載和編譯。顯然，您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。第一部分包含所用設(shè)備的聲明、符號、變量和端口設(shè)置。第二部分等待閃電，檢查 PORTA.0。顯示屏上的一條消息對此進行了警告。第三部分等待雷聲，計算經(jīng)過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)備非常簡單。下雨時，打開電路并等待閃電?！暗却W電”消息出現(xiàn)在顯示屏的屏幕上。當它發(fā)生時，立即按下連接到 PORTA.0 的標有“LIGHTNING”的按鈕。十分之一秒的計數(shù)開始，直到您按下標有“THUNDERS”并連接到 PORTA.1 的第二個按鈕，與雷聲相對應(yīng)。計數(shù)停止，雷暴的距離（以米為單位）顯示在顯示屏上（見圖 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 個按鈕 不適用

? LCD1：顯示 LCD 16×2

? U1：單片機 PIC16F1826

? X1：晶體 20 Mhz

如何自動化檢測程序

主系統(tǒng)工作得很好，但是當閃電和雷聲發(fā)生時，您必須按下按鈕。無論如何，手動程序是最好的，因為它避免了自動傳感器的錯誤檢測，操作員可以選擇如何執(zhí)行。但是，要允許自動檢測，您必須構(gòu)建一個閃電檢測器和一個雷電檢測器。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，將其放大并將信號轉(zhuǎn)換為 0V 和 5V 之間的數(shù)字電壓（見圖 7）。它必須由微控制器讀取。傳感器必須非?？?，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)

您可以通過選擇不同的電阻值來改變增益。運算放大器的增益必須非常高。輸出信號必須達到飽和，因為它必須是數(shù)字信號。

圖 7：閃電探測器的電氣原理圖

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：運算放大器 LT1077 或同等產(chǎn)品

雷霆傳感器

該設(shè)備必須“聽到”雷聲，將其放大并將信號轉(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)和運算放大器來放大信號。這種類型的麥克風(fēng)必須通過電阻器供電才能正常工作。一個低通濾波器結(jié)束電路并切斷高于 300 Hz 的信號。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非常高。輸出信號必須達到飽和，因為它必須是數(shù)字信號。

圖 8：雷電探測器的電氣原理圖

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，但非常強大。正如我們在圖 9 的圖表中看到的那樣，濾波器會截斷高頻。

圖 9：雷聲的音頻頻譜分析

結(jié)論

使用這個設(shè)備非常簡單。我們更喜歡手動使用它的可靠性。為獲得最佳效果，請將麥克風(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，您可以到達一個有遮蔽的地方，以盡量減少發(fā)生事故的風(fēng)險。很多時候，雷暴可能非常危險。您可以將設(shè)備存放在塑料盒中，以保護電子元件并賦予系統(tǒng)美觀的設(shè)計。如果您使用自動傳感器，則運算放大器只能用相應(yīng)的型號代替。

審核編輯 黃昊宇