用于测量闪电距离的简单电子电路教程

有时在雷暴期间测量我们与闪电之间的距离非常有用。这种测量可以了解雷暴是接近还是远离。计算可以手动完成，也可以使用计时器完成，但我们想构建一个简单的电子电路来执行测量。

雷声和闪电

雷声是由闪电引起的强烈噪音，根据其性质和与观察者的距离，可以表现为尖锐而有力的打击或低沉而持久的轰鸣声。雷电和闪电发生在同一个地方，但是光速和声速有很大的不同，因此这两个事件是在不同的时刻被感知的，如图1所示。

图 1：雷声和闪电不是同时感知的，因为它们的速度不同

雷声的隆隆声跟随闪电的光芒，因为光的传播速度比声音的速度更快。两个电量如下：

• 光速为每秒299,792,458 米；

• 声音在空气中的传播速度仅为每秒 331 米。

两种速度之间存在很大差异。无论距离观察者多远，都能立即看到闪电的光芒。你可以这样计算雷暴的距离：在你看到一道闪电之后，数一数直到你听到雷声的秒数。将您计数的秒数除以 5 得到英里数，或除以 3 得到公里数。例如，如果从闪电到雷声计算 8 秒，则雷暴距离为 1.6 英里或 2.6 公里。

逻辑图

如图2所示，系统由以下逻辑部分组成：

• 中央单元，配备微控制器及其固件、显示屏 LCD 和按钮，用于模拟闪电和雷声。这个单元是完全独立的，它工作得很好；

• 作为电路可选部件的外部传感器。它们使检测闪电和雷声的过程自动化。它们必须由电子元件构成。如果您想要更多的独立性但更复杂，您可以自己构建它们。

图2：系统流程图

主系统

主系统是一个独立电路，无需外部附件即可工作。这是测量雷暴距离的最简单的解决方案。它是手动工作的，确实你必须在发生闪电时按下第一个按钮，在听到雷声时按下第二个按钮。系统计算两次按压之间的时间，然后计算雷暴的距离。我们可以在图 3 中看到电气原理图。

图 3：雷暴计算器的完整工作基本电气原理图

系统的中央大脑是一个 16F1826 微控制器，但您可以使用任何类型的 MCU。它的振荡是通过 22pF 的陶瓷电容器和 20 Mhz 的晶体来实现的。当您看到天空中有闪电时，必须按下“LIGHTNING”按钮。当您听到雷声时，必须按下“THUNDERS”按钮。PORTA0 和 PORTA1 数字输入端口通过两个下拉电阻（R1 和 R2）接地，以确保在未按下按钮时为低数字电平。如果输入信号非常短或不规则，则 C3 和 C4 电解电容器会平滑输入信号（见图 4）。

图 4：C3 和 C4 对输入信号起到去抖作用

然后，MCU 计算雷暴的距离并将结果显示在 LCD 上。它仅使用 4 条数据线连接到微控制器。RV1 电位器（或微调器）允许设置正确的显示对比度，不能省略。J1 和 J2 是外部连接，用于自动化检测闪电和雷声的过程。您可以将电路和传感器连接到这些端子（见下文）。“重置”按钮在按下时重新启动整个过程。

固件和流程图

微控制器的固件是用 Proton 编译器用 Basic 语言编写的。使用 PIC16F1826 不需要 License Key，您可以免费下载和编译。显然，您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。第一部分包含所用设备的声明、符号、变量和端口设置。第二部分等待闪电，检查 PORTA.0。显示屏上的一条消息对此进行了警告。第三部分等待雷声，计算经过的十分之一秒并将其显示在显示屏上。最后一部分执行雷暴距离的计算（以米为单位），并将其显示在显示屏上。

图 5：固件流程图

应用

使用该设备非常简单。下雨时，打开电路并等待闪电。“等待闪电”消息出现在显示屏的屏幕上。当它发生时，立即按下连接到 PORTA.0 的标有“LIGHTNING”的按钮。十分之一秒的计数开始，直到您按下标有“THUNDERS”并连接到 PORTA.1 的第二个按钮，与雷声相对应。计数停止，雷暴的距离（以米为单位）显示在显示屏上（见图 6）。

图 6：电路的操作顺序

主系统电子元件

这是用于构建主系统的电子元件列表。电阻的功耗可以是1/2W或1/4W。

• R1-R2-R3：电阻 10k Ohm

• RV1：电位器 10k Ohm

• C1-C2：陶瓷电容器 22 pF

• C3-C4：电解电容 22uF / 16 VL

• 3 个按钮 不适用

• LCD1：显示 LCD 16×2

• U1：单片机 PIC16F1826

• X1：晶体 20 Mhz

如何自动化检测程序

主系统工作得很好，但是当闪电和雷声发生时，您必须按下按钮。无论如何，手动程序是最好的，因为它避免了自动传感器的错误检测，操作员可以选择如何执行。但是，要允许自动检测，您必须构建一个闪电检测器和一个雷电检测器。前者使用光传感器，后者使用驻极体麦克风。让我们看第一个一般示意图。下面显示的解决方案只是一般示例。您可以根据自己的需要采用任何想法。

闪电传感器

该设备必须“捕捉”闪电的光，将其放大并将信号转换为 0V 和 5V 之间的数字电压（见图 7）。它必须由微控制器读取。传感器必须非常快，所以光敏电阻不好。您可以使用光电二极管。电路的增益由以下关系决定：

G=1+(R11/R10)

您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非常高。输出信号必须达到饱和，因为它必须是数字信号。

图 7：闪电探测器的电气原理图

这是用于构建闪电传感器的电子元件列表。

• R10：电阻 1k Ohm

• R11：电阻 470k Ohm

• R12-R13：电阻 470 欧姆

• R14：220k 欧姆

• C6-C7：电解电容1uF/16VL

• D1：光电二极管

• U3：运算放大器 LT1077 或同等产品

雷霆传感器

该设备必须“听到”雷声，将其放大并将信号转换为 0V 至 5V 之间的数字电压。此外，它必须由微控制器读取。图 8 所示的电路使用驻极体麦克风和运算放大器来放大信号。这种类型的麦克风必须通过电阻器供电才能正常工作。一个低通滤波器结束电路并切断高于 300 Hz 的信号。如果您不喜欢它的响应，可以修改或移除低通滤波器。电路的增益由以下关系决定：

G=1+(R6/R5)

您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非常高。输出信号必须达到饱和，因为它必须是数字信号。

图 8：雷电探测器的电气原理图

这是用于构建闪电传感器的电子元件列表。

• R5：电阻 1k Ohm

• R6：电阻 470k Ohm

• R7-R8：电阻 470 欧姆

• R9：10k 欧姆

• C3-C4-C5：电解电容1uF/16VL

• MIC：驻极体麦克风

• U31 运算放大器 LT1077 或同等产品

雷声是由闪电引起的噪音。它的频率很低，但非常强大。正如我们在图 9 的图表中看到的那样，滤波器会截断高频。

图 9：雷声的音频频谱分析

结论

使用这个设备非常简单。我们更喜欢手动使用它的可靠性。为获得最佳效果，请将麦克风和光电二极管指向天空。知道雷暴的距离是非常有用的。如果它正在到达，您可以到达一个有遮蔽的地方，以尽量减少发生事故的风险。很多时候，雷暴可能非常危险。您可以将设备存放在塑料盒中，以保护电子元件并赋予系统美观的设计。如果您使用自动传感器，则运算放大器只能用相应的型号代替。

审核编辑 黄昊宇