怎麼知道閃電有多遠?

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb

有時,在雷雨天氣測量我們與閃電之間的距離非常有用。透過這個測量,可以瞭解雷雨是正在接近還是正在遠離。計算可以利用手動完成,也可以使用天文台表進行,但是本文希望設計一個簡單的電子電路來實現測量。

有時,在雷雨天氣測量我們與閃電之間的距離非常有用。透過這個測量,可以瞭解雷雨是正在接近還是正在遠離。計算可以利用手動完成,也可以使用天文台表進行,但是本文希望設計一個簡單的電子電路來實現測量。

雷聲和閃電

雷聲是由雷電引起的強烈雜訊;視其性質和與觀察者的距離而定,雷電可表現為銳利而有力的打擊聲或低沉而長時間的轟鳴聲。雷聲和閃電發生在同一位置,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,如圖1所示。

圖1 雷聲和閃電由於其傳播的速度不同,因此不會同時感覺到。

由於光的傳播速度遠快於聲音,因此雷鳴總是發生在電閃之後。以下是這兩者的大小:

  • 光的速度為每秒299,792,458公尺;
  • 聲音在空氣中的速度僅為每秒331公尺。

這兩個速度之間存在很大差異。無論觀察者相距有多遠,都可以立即看到閃電的光芒。可以透過以下方式手動計算雷雨的距離:看到閃電後,計算直到聽到雷聲的秒數。將所計算的秒數除以5可獲得英哩數,或除以3可獲得公里數。例如,如果從閃電到雷聲計數為8秒,則雷雨距離為1.6英哩或2.6公里。

邏輯圖

如圖2的示意圖所示,本系統由以下邏輯部分組成:

  • 中央單元,配有微控制器及其韌體、LCD顯示器,以及類比閃電和雷聲的按鈕。這個單元是完全獨立的,並且運作良好;
  • 外部感測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,且它們必須採用電子元件設計。如果想要更多的獨立性而不怕更加複雜,也可自己設計。

圖2 系統流程圖。

主系統

主系統是一個獨立的電路,無需使用外部附件即可工作。這是測量雷雨距離的最簡單的解決方案。它可以手動工作,實際上,當閃電發生時必須按第一個按鈕,當聽到雷聲時必須按第二個按鈕。系統計算兩次按壓之間的時間,然後計算雷雨的距離,圖3提供了電氣原理圖。

圖3 雷雨計算器全部正常工作的基本電氣原理圖。

系統的中央大腦是16F1826微控制器,但也可以使用任何類型的微控制器。它的振盪是由20MHz晶體振盪器和兩個22pF陶瓷電容所產生。當看到天空中的閃電時,必須按下按鈕「LIGHTNING」;當聽到雷聲時,必須按下按鈕「THUNDERS」。PORTA0和PORTA1數位輸入埠透過兩個下拉電阻(R1和R2)接地,從而確保在按鈕未按下時保持低電平。如果輸入訊號很短或者不規則,則C3和C4電解電容可以對它進行平滑(圖4)。

圖4 C3和C4對輸入訊號進行去抖動。

然後,微控制器負責計算雷雨的距離並將結果顯示在LCD上。它僅使用4根資料線連接到微控制器。RV1電位器(或微調器)可以設置正確的顯示器對比度,因此不能省略。J1和J2是外部連接,用於自動執行閃電和雷聲檢測過程。可以將電路和感測器連接到這些端子(請參見下文)。按下「RESET」按鈕,可以重新開機整個過程。

韌體和流程圖

可參考「微控制器的韌體使用Proton編譯器以Basic語言進行編寫(The firmware of the microcontroller is written in Basic language with Proton compiler)」一文。使用PIC16F1826不需要許可證金鑰,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,韌體分為幾個部分,第一部分包含所用元件的聲明、符號、變數和埠設置。第二部分等待閃電,檢查PORTA.0,顯示器上對此顯示一條提醒資訊。第三部分等待雷聲,計算每經過的十分之一秒並將其顯示在顯示器上。最後一部分進行雷雨距離的計算(以公尺為單位),並在顯示器上將其顯示出來。

圖5 韌體流程圖。

應用

這個設備使用起來非常簡單。下雨時,打開電路並等待閃電,「Wait For Lightn」資訊會出現在顯示器上。出現這種資訊時,立即按下連接到PORTA.0的標有「LIGHTNING」的按鈕,系統以十分之一秒開始計時,直到按下第二個帶有「THUNDERS」標記、與雷聲一致的連接到PORTA.1的按鈕。此時計數停止,顯示器上顯示以公尺為單位的雷雨距離(圖6)。

圖6 電路的工作順序。

主系統電子元件

以下列出了構建主系統所用的電子元件,電阻的功耗可以為1/2W或1/4W。

  • R1-R2-R3:10kΩ電阻
  • RV1:10kΩ電位計
  • C1-C2:22pF陶瓷電容
  • C3-C4:22μF/16V電解電容
  • 3個常開按鈕
  • LCD1:16×2 LCD顯示器
  • U1:PIC16F1826微控制器
  • X1:20MHz晶體振盪器

如何自動執行檢測過程

主系統工作良好,但是在發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感測器錯誤檢測,並且操作者可以選擇執行方法。但是,要實現自動檢測,就必須設計一個閃電探測器和一個雷聲探測器。前者可使用光感測器,後者可使用駐極體麥克風。以下來看第一個通用原理圖,請注意,以下所述解決方案只是一般示例,可以根據需要採納任何想法。

閃電感測器

這個設備必須要能「擷取」閃電所發出的光線,將其放大並將該訊號轉換為0~5V之間的數位電壓(圖7),微控制器必須對它進行讀取。感測器必須非常快,因此不建議使用光敏電阻,可以使用光電二極體。電路的增益取決於以下公式:

G=1+(R11/R10)

圖7 閃電探測器的電氣原理圖。

可以透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,由於輸出訊號必須是數位訊號,因此必須達到飽和。

以下列出建構閃電感測器所用的電子元件。

  • 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:光電二極體
  • U3:運算放大器LT1077或同等級產品

雷聲感測器

這個設備必須要能「聽到」雷聲,將其放大並將該訊號轉換為0V~5V之間的數位電壓。同樣,微控制器必須對它進行讀取。如圖8所示,該電路使用駐極體麥克風和運算放大器來放大該訊號,這種麥克風必須透過電阻供電才能正常工作。該電路以一個低通濾波器結束,從而切斷300Hz以上的訊號。如果不喜歡低通濾波器的回應,則可以對其進行修改或刪除。電路的增益取決於以下公式:

G=1+(R6/R5)

圖8 雷電探測器的電氣原理圖。

可以透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,由於輸出訊號必須是數位訊號,因此必須達到飽和。

以下列出了建構閃電感測器所用的電子元件:

  • 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
  • U31:運算放大器LT1077或同等產品

雷聲是雷電引起的雜訊。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

這個設備使用起來非常簡單。由於可靠性的關係,本文更喜歡手動使用。為了獲得最佳效果,可將麥克風和光電二極體指向天空。知道雷雨的距離非常有用——如果有雷雨到來,我們就可以去往某個避難處,從而最大程度地降低事故風險。通常,雷雨非常危險。為了保護電子元件和為系統提供美觀的設計,可以將該設備存放在塑膠盒中,如果使用自動感測器,則運算放大器只能用相應的型號替代。

(參考原文:How far is a lightning?,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年8月號雜誌

 

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