有時，在雷暴天氣測量我們與閃電之間的距離非常有用。通過這個測量，可以了解雷暴是正在接近還是正在遠離。計算可以通過手動完成，也可以使用天文臺表進行，但是本文希望設計一個簡單的電子電路來實現測量。n7Pednc
打雷是由閃電引起的強烈噪聲；視其性質和與觀察者的距離而定，閃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。打雷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。n7Pednc
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圖1：雷聲和閃電由於其速度不同，因此不會同時感覺到。n7Pednc
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：n7Pednc
• 光的速度為每秒299,792,458米；n7Pednc
• 聲音在空氣中的速度僅為每秒331米。n7Pednc
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。可以通過以下方式手動計算雷暴的距離：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可獲得英裡數，或除以3可獲得公裡數。例如，如果從閃電到雷聲計數為8秒，則雷暴距離為1.6英裡或2.6公裡。n7Pednc
如圖2的示意圖所示，本系統由以下邏輯部分組成：n7Pednc
• 中央單元，配有微控制器及其固件、LCD顯示屏，以及模擬閃電和雷聲的按鈕。這個單元是完全獨立的，並且工作良好。n7Pednc
• 外部傳感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。它們必須採用電子元器件設計。如果想要更多的獨立性而不怕更加複雜，也可自己設計它們。n7Pednc
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圖2：系統流程圖。n7Pednc
主系統是一個獨立的電路，無需使用外部附件即可工作。這是測量雷暴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，然後計算雷暴的距離。圖3給出了電氣原理圖。n7Pednc
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圖3：雷暴計算器完全工作的基本電氣原理圖。n7Pednc
系統的中央大腦是16F1826微控制器，但也可以使用任何類型的MCU。它的振蕩是由20MHz晶振和兩個22pF陶瓷電容器所產生的。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數字輸入埠通過兩個下拉電阻（R1和R2）接地，從而確保在按鈕未按下時保持低電平。如果輸入信號很短或者不規則，則C3和C4電解電容器可以對它進行平滑（請參見圖4）。n7Pednc
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圖4：C3和C4對輸入信號進行去抖動。n7Pednc
然後，MCU負責計算雷暴的距離並將結果顯示在LCD上。它僅使用4根數據線連接到微控制器。RV1電位器（或微調器）可以設置正確的顯示屏對比度，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。可以將電路和傳感器連接到這些端子（請參見下文）。按下「RESET」按鈕，可以重新啟動整個過程。n7Pednc
微控制器的固件使用Proton編譯器以Basic語言進行編寫。使用PIC16F1826不需要許可證密鑰，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，固件分為幾個部分。第一部分包含所用器件的聲明、符號、變量和埠設置。第二部分等待閃電，檢查PORTA.0。顯示屏上對此顯示一條提醒信息。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屏上。最後一部分進行雷暴距離的計算（以米為單位），並在顯示屏上將其顯示出來。n7Pednc
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圖5：固件流程圖。n7Pednc
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」信息出現在顯示屏上。發生這種情況時，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，顯示屏上顯示以米為單位的雷暴距離（見圖6）。n7Pednc
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圖6：電路的工作順序。n7Pednc
以下列出了構建主系統所用的電子元器件。電阻的功耗可以為1/2W或1/4W。n7Pednc
• R1-R2-R3：10kΩ電阻n7Pednc
• RV1：10kΩ電位器n7Pednc
• C1-C2：22pF陶瓷電容n7Pednc
• C3-C4：22μF/16V電解電容n7Pednc
• 3個常開按鈕n7Pednc
• LCD1：16x2 LCD顯示屏n7Pednc
• U1：PIC16F1826 MCUn7Pednc
• X1：20MHz晶振n7Pednc
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傳感器錯誤檢測，並且操作員可以選擇執行方法。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。前者可使用光傳感器，後者可使用駐極體麥克風。下面來看第一個通用原理圖。以下所述解決方案只是一般示例，可以根據需要採用任何想法。n7Pednc
這個設備必須要能「捕獲」閃電所發的光線，將其放大並將該信號轉換為0V至5V之間的數字電壓（參見圖7）。微控制器必須對它進行讀取。傳感器必須非常快，因此光敏電阻不好——可以使用光電二極體。電路的增益取決於以下關係式：n7Pednc
G=1+(R11/R10)n7Pednc
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很高。由於輸出信號必須是數位訊號，因此必須達到飽和。n7Pednc
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圖7：閃電探測器的電氣原理圖。n7Pednc
以下列出了構建閃電傳感器所用的電子元器件。n7Pednc
• R10：1kΩ電阻n7Pednc
• R11：470kΩ電阻n7Pednc
• R12-R13：470Ω電阻n7Pednc
• R14：220kΩ電阻n7Pednc
• C6-C7：1μF/16V電解電容n7Pednc
• D1：光電二極體n7Pednc
• U3：運算放大器LT1077或同等產品n7Pednc
這個設備必須要能「聽到」雷聲，將其放大並將該信號轉換為0V至5V之間的數字電壓。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信號。這種麥克風必須通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以上的信號。如果不喜歡低通濾波器的響應，則可以對其進行修改或刪除。電路的增益取決於以下關係式：n7Pednc
G=1+(R6/R5)n7Pednc
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很高。由於輸出信號必須是數位訊號，因此必須達到飽和。n7Pednc
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圖8：雷電探測器的電氣原理圖。n7Pednc
以下列出了構建雷聲傳感器所用的電子元器件：n7Pednc
• R5：1kΩ電阻n7Pednc
• R6：470kΩ電阻n7Pednc
• R7-R8：470Ω電阻n7Pednc
• R9：10kΩ電阻n7Pednc
• C3-C4-C5：1μF/16V電解電容n7Pednc
• MIC：駐極體麥克風n7Pednc
• U31：運算放大器LT1077或同等產品n7Pednc
打雷是閃電引起的噪聲。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。n7Pednc
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圖9：雷聲的頻譜分析。n7Pednc
這個設備使用起來非常簡單。由於可靠性的關係，我們更喜歡手動使用。為了獲得最佳效果，可將麥克風和光電二極體指向天空。知道雷暴的距離非常有用——如果有雷暴到來，我們就可以去往某個避難所，從而最大程度地降低事故風險。通常，雷暴非常危險。為了保護電子元器件和為系統提供美觀的設計，可以將該設備存放在塑料盒中。如果使用自動傳感器，則運算放大器只能用相應的型號替代。n7Pednc
（原文刊登於EDN姐妹網站EEWeb，參考連結：How far is a lightning?）n7Pednc
本文為《電子技術設計》2020年7月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。n7Pednc