简单的闪电测量电子电路实现方案

有时，在雷暴天气测量我们与闪电之间的距离非常有用。通过这个测量，可以了解雷暴是正在接近还是正在远离。计算可以通过手动完成，也可以使用天文台表进行，但是本文希望设计一个简单的电子电路来实现测量。

打雷和闪电

打雷是由闪电引起的强烈噪声；视其性质和与观察者的距离而定，闪电可表现为锐利而有力的打击声或低沉而长时间的轰鸣声。打雷和闪电发生在同一位置，但是光和声音的速度非常不同，因此，这两种事件是在不同的时间感觉到，雷声和闪电由于其速度不同，因此不会同时感觉到。

由于光的传播速度远快于声音，因此雷鸣总是发生在电闪之后。以下是这两者的大小：

?光的速度为每秒299,792,458米；

?声音在空气中的速度仅为每秒331米。

这两个速度之间存在很大差异。无论观察者相距有多远，都可以立即看到闪电的光芒。可以通过以下方式手动计算雷暴的距离：看到闪电后，计算直到听到雷声的秒数。将所计算的秒数除以5可获得英里数，或除以3可获得公里数。例如，如果从闪电到雷声计数为8秒，则雷暴距离为1.6英里或2.6公里。

逻辑图如图2的示意图所示，本系统由以下逻辑部分组成：

?中央单元，配有微控制器及其固件、LCD显示屏，以及模拟闪电和雷声的按钮。这个单元是完全独立的，并且工作良好。

?外部传感器是电路的可选部分。它们可以使闪电和雷声的检测过程自动化。它们必须采用电子元器件设计。如果想要更多的独立性而不怕更加复杂，也可自己设计它们。

图2：系统流程图。

主系统

主系统是一个独立的电路，无需使用外部附件即可工作。这是测量雷暴距离的最简单的解决方案。它可以手动工作，实际上，当闪电发生时必须按第一个按钮，当听到雷声时必须按第二个按钮。系统计算两次按压之间的时间，然后计算雷暴的距离。图3给出了电气原理图。

图3：雷暴计算器完全工作的基本电气原理图。

系统的中央大脑是16F1826微控制器，但也可以使用任何类型的MCU。它的振荡是由20MHz晶振和两个22pF陶瓷电容器所产生的。当看到天空中的闪电时，必须按下按钮“LIGHTNING”。当听到雷声时，必须按下按钮“THUNDERS”。PORTA0和PORTA1数字输入端口通过两个下拉电阻（R1和R2）接地，从而确保在按钮未按下时保持低电平。如果输入信号很短或者不规则，则C3和C4电解电容器可以对它进行平滑（请参见图4）。

图4：C3和C4对输入信号进行去抖动。

然后，MCU负责计算雷暴的距离并将结果显示在LCD上。它仅使用4根数据线连接到微控制器。RV1电位器（或微调器）可以设置正确的显示屏对比度，因此不能省略。J1和J2是外部连接，用于自动执行闪电和雷声检测过程。可以将电路和传感器连接到这些端子（请参见下文）。按下“RESET”按钮，可以重新启动整个过程。

固件和流程图

微控制器的固件使用Proton编译器以Basic语言进行编写。使用PIC16F1826不需要许可证密钥，可以免费下载和编译。显然，可以使用任何语言和任何编译器。如图5所示，固件分为几个部分。第一部分包含所用器件的声明、符号、变量和端口设置。第二部分等待闪电，检查PORTA.0。显示屏上对此显示一条提醒信息。第三部分等待雷声，计算每经过的十分之一秒并将其显示在显示屏上。最后一部分进行雷暴距离的计算（以米为单位），并在显示屏上将其显示出来。

图5：固件流程图。

应用

这个设备使用起来非常简单。下雨时，打开电路并等待闪电。“WaitForLightn”信息出现在显示屏上。发生这种情况时，立即按下连接到PORTA.0的标有“LIGHTNING”的按钮。系统以十分之一秒开始计时，直到按下第二个带有“THUNDERS”标记、与雷声一致的连接到PORTA.1的按钮。此时计数停止，显示屏上显示以米为单位的雷暴距离（见图6）。

图6：电路的工作顺序。

主系统电子元件

以下列出了构建主系统所用的电子元器件。电阻的功耗可以为1/2W或1/4W。

?R1-R2-R3：10kΩ电阻

?RV1：10kΩ电位器

?C1-C2：22pF陶瓷电容

?C3-C4：22μF/16V电解电容

?3个常开按钮

?LCD1：16x2LCD显示屏

?U1：PIC16F1826MCU

?X1：20MHz晶振

如何自动执行检测过程

主系统工作良好，但是在发生闪电和打雷时要按下按钮。无论如何，手动操作是最好的，因为它可以避免自动传感器错误检测，并且操作员可以选择执行方法。但是，要实现自动检测，就必须设计一个闪电探测器和一个雷声探测器。前者可使用光传感器，后者可使用驻极体麦克风。下面来看第一个通用原理图。以下所述解决方案只是一般示例，可以根据需要采用任何想法。

闪电传感器

这个设备必须要能“捕获”闪电所发的光线，将其放大并将该信号转换为0V至5V之间的数字电压（参见图7）。微控制器必须对它进行读取。传感器必须非常快，因此光敏电阻不好——可以使用光电二极管。电路的增益取决于以下关系式：

G=1+(R11/R10)

可以通过选择不同的电阻值来改变增益。运算放大器的增益必须很高。由于输出信号必须是数字信号，因此必须达到饱和。

图7：闪电探测器的电气原理图。

以下列出了构建闪电传感器所用的电子元器件。

?R10：1kΩ电阻

?R11：470kΩ电阻

?R12-R13：470Ω电阻

?R14：220kΩ电阻

?C6-C7：1μF/16V电解电容

?D1：光电二极管

?U3：运算放大器LT1077或同等产品

雷声传感器

这个设备必须要能“听到”雷声，将其放大并将该信号转换为0V至5V之间的数字电压。同样，微控制器必须对它进行读取。如图8所示，该电路使用驻极体麦克风和运算放大器来放大该信号。这种麦克风必须通过电阻供电才能正常工作。该电路以一个低通滤波器结束，从而切断300Hz以上的信号。如果不喜欢低通滤波器的响应，则可以对其进行修改或删除。电路的增益取决于以下关系式：

G=1+(R6/R5)

可以通过选择不同的电阻值来改变增益。同样，在这种情况下，运算放大器的增益必须很高。由于输出信号必须是数字信号，因此必须达到饱和。

图8：雷电探测器的电气原理图。

以下列出了构建雷声传感器所用的电子元器件：

?R5：1kΩ电阻

?R6：470kΩ电阻

?R7-R8：470Ω电阻

?R9：10kΩ电阻

?C3-C4-C5：1μF/16V电解电容

?MIC：驻极体麦克风

?U31：运算放大器LT1077或同等产品

打雷是闪电引起的噪声。它的频率很低，但非常有力。正如在图9的图表中所看到的那样，滤波器可滤除高频。

图9：雷声的频谱分析。

总结

这个设备使用起来非常简单。由于可靠性的关系，我们更喜欢手动使用。为了获得最佳效果，可将麦克风和光电二极管指向天空。知道雷暴的距离非常有用——如果有雷暴到来，我们就可以去往某个避难所，从而最大程度地降低事故风险。通常，雷暴非常危险。为了保护电子元器件和为系统提供美观的设计，可以将该设备存放在塑料盒中。如果使用自动传感器，则运算放大器只能用相应的型号替代。

（原文刊登于EDN姐妹网站EEWeb）
编辑：hfy