Construa um Detector de Raios de Baixo Custo com Arduino Uno

Componentes e Materiais

Placa de ensaio (genérica)	1
Resistores 10kΩ	2
Resistor 3,3MΩ	1
Fios jumpers (genéricos)	1
Arduino UNO	1

Sobre o Projeto

Neste tutorial, construiremos um detector de raios usando um Arduino Uno, alguns resistores e jumpers. A maioria dos detectores de raios custa caro para o hobbyista comum, mas isso não significa que não se possa aproveitar a detecção de raios e a física por trás dela. Com um circuito surpreendentemente simples, seremos capazes de detectar raios a 10-20 km de distância, o que é impressionante. O objetivo é construir um circuito simples para detectar raios com Arduino e produzir resultados significativos.

Fundamentação

Quando um raio cai, uma enorme quantidade de energia é liberada em várias formas. As mais óbvias são luz e som, este último sendo um subproduto do rápido aumento de temperatura das partículas ao redor do raio. Mas não é só isso: raios emitem grande quantidade de radiação eletromagnética nas faixas VLF (Very Low Frequency) e LF (Low Frequency), tipicamente de 3kHz a 300kHz. VLF e LF são semelhantes a ondas de luz, Wi-Fi e micro-ondas, mas em frequências mais baixas. Ex: Wi-Fi opera a ~2,4GHz (2,4 bilhões de oscilações/seg). VLF/LF operam em frequências mais baixas, e com um Arduino podemos capturar frequências em torno de 7kHz. A vantagem de usar essa radiação para detecção é que normalmente nada emite grandes explosões nessa frequência como os raios; sendo uma onda eletromagnética, viaja à velocidade da luz, então o sensor detecta os raios quase instantaneamente (alguns microssegundos depois).

Nosso Arduino terá uma "antena" (um pedaço de fio) que capta flutuações no espectro eletromagnético especificamente em torno de 7-9kHz. Essas flutuações induzem uma pequena tensão positiva ou negativa no fio. Podemos captar essas flutuações usando os pinos analógicos do Arduino.

Pré-requisitos

• 2x Resistores 10kΩ
• 1x Resistor 3,3MΩ
• 4x Jumpers
• 1x Arduino (Uno ou outro que opere a 16MHz)
• Placa de ensaio para simplicidade

Os pinos analógicos do Arduino leem tensões entre 0V e 5V. Tensões abaixo de 0V ou acima de 5V não são lidas (perda de dados) e tensões negativas podem danificar o pino. Isso cria um problema porque as tensões induzidas no fio flutuam acima e abaixo de 0V. A solução é definir a tensão do pino no meio da faixa de 5V, ou seja, 2,5V, usando um divisor de tensão. Assim, o pino fica em 2,5V estável e as flutuações têm origem em 2,5V, evitando danos ou perda de dados.

O circuito é simples: dois resistores de 10kΩ em série de 5V (fio vermelho) para GND (fio preto) formam o divisor de tensão. Um resistor de 3,3MΩ conecta-se entre os dois resistores de 10kΩ. Em série com o resistor de 3,3MΩ, liga-se um fio ao pino A4 (fio azul), fornecendo exatamente 2,5V no pino A4. Depois, conecta-se um fio que atuará como antena (fio verde) de cerca de 15-20cm (6-8 polegadas), conectado apenas em uma extremidade, como mostrado.

Sketch

A parte mais difícil de explicar. A frequência a captar dos raios é ~7kHz. Para ler uma onda decente, a taxa de amostragem deve ser 4x maior, ou seja, 28.000 amostras/segundo. Os pinos analógicos do Arduino dão apenas 9.600 amostras/segundo, permitindo capturar ondas de ~2kHz, o que é insuficiente. Graças ao chip ATMEGA, pode-se configurar o ADC para acelerar o processo por um fator (prescaler), mantendo boa resolução. Usaremos fator 16, que teoricamente dá 77kHz; na prática, com cálculos, consegui ~46kHz, ainda muito bom.

O sketch usa um array de 512 bytes para armazenar valores de tensão do pino A4. Lê constantemente o pino e escreve no próximo índice do array. Assim que um raio é detectado, todo o array é enviado pela porta serial. Pode ser plotado no Serial Plotter da Arduino IDE ou enviado a outro Arduino/ESP8266 para publicar online. Melhor monitorar primeiro via Arduino IDE para resolver eventuais falhas.

Resultados

Código fonte no GitHub: https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

Sinta-se à vontade para comentar se precisar de mais esclarecimentos.

Tags: Arduino, Eletromagnético, EMF, Raio, Sensor, UNO, VLF, Clima

Código

Disponível no GitHub: https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector