Um detector de relâmpagos para Arduino

Componentes e suprimentos

Breadboard (genérico)

Resistor 10k ohm

Resistor 3,3 MOhm

Fios de jumpers (genérico)

Arduino UNO

Sobre este projeto

Neste tutorial, construiremos um detector de raios usando um Arduino Uno, alguns resistores e alguns fios de jumper. A maioria dos detectores de relâmpagos costumam custar muito para o amador normal, no entanto, isso não significa que não se possa desfrutar da detecção de relâmpagos e da física por trás dela. Neste tutorial, usando um circuito surpreendentemente simples, seremos capazes de detectar relâmpagos a cerca de 10-20 km de distância, o que é o menos impressionante. O objetivo é construir um circuito simples para detectar relâmpagos com um Arduino e produzir resultados significativos.

Antecedentes

Quando um raio cai, uma grande quantidade de energia é liberada em diferentes formas. Os mais óbvios são a luz e o som, sendo o último um subproduto da taxa de aumento da temperatura das partículas imediatas ao redor do relâmpago, que então causam o som. Mas isso não é tudo. Os relâmpagos emitem grande quantidade de radiação eletromagnética na faixa de VLF (Very Low Frequency) e LF (Low Frequency), normalmente variando de 3kHz a 300kHz. VLF e LF são semelhantes às ondas de luz, suas ondas WiFi e também suas ondas de forno de microondas, mas com a diferença de operar em frequências mais baixas. por exemplo. O WiFi normalmente opera em torno de 2,4 GHz, ou seja, 2,4 bilhões de oscilações por segundo. VLF e LF operam em frequências mais baixas, e com um Arduino podemos capturar frequências em torno de 7kHz. A vantagem de usar esse tipo de radiação para detecção de raios é que normalmente nada emite grandes rajadas como as dos raios, em torno dessa frequência; e sendo uma onda eletromagnética, ela viaja à velocidade da luz, o que significa que o sensor detectará os relâmpagos conforme eles acontecem (alguns microssegundos depois). Nosso pequeno Arduino terá uma antena (mais ou menos), um pedaço de fio que pegará flutuações no espectro eletromagnético especificamente em torno de 7-9kHz. Essas flutuações induzirão uma pequena voltagem + ve ou -ve no fio. Podemos escolher essas flutuações usando os pinos analógicos do Arduino.

Pré-requisitos

Resistor 2x10k Ohms

1 resistor de 3,3 M Ohms

4 fios de jumper

1x Arduino (estou usando Uno, mas qualquer outro funcionará, desde que possa operar a 16 MHz)

Breadboard para simplicidade

Como você já deve saber, os pinos da placa Arduino permitem tensões entre 0 V e 5 V, qualquer coisa abaixo de 0 V e acima de 5 V não será lida, portanto, os dados serão perdidos. Mais importante ainda, tensões abaixo de 0 V potencialmente danificarão o pino. Isso criará um pequeno problema para nós, porque as tensões produzidas no fio flutuam abaixo e acima de 0v. Para resolver este problema, definimos a tensão do pino no meio da faixa de 5 V, em 2,5 V e isso será feito usando um pequeno truque, um divisor de tensão. Ao fazer isso, estaremos configurando o pino para 2,5 V constantes e as flutuações de tensão terão uma origem de 2,5 V, portanto, nenhum dano ou perda de dados.

O circuito é bastante simples, temos 2 resistores de 10k Ohm em série de 5v (fio vermelho) a GND (fio preto), este é basicamente o divisor de tensão. Em seguida, um resistor de 3,3 M Ohm (MegaOhm) é conectado entre o resistor 2x 10k Ohm. Em série com o resistor de 3,3M Ohm, conecte um fio ao pino A4 (fio azul), isso nos dará exatamente 2,5 V no pino A4. Em seguida, conecte um fio que funcionará como uma antena (fio verde) com cerca de 6-8 polegadas de comprimento. Ele deve ser conectado a partir de apenas uma extremidade, conforme mostrado acima.

Sketch

Aí vem a parte mais difícil de explicar. Como mencionado acima, a frequência que precisamos captar dos relâmpagos está em torno de 7kHz e para ler uma onda semidecente a taxa de amostragem deve ser 4x mais, dando-nos 4 leituras por comprimento de onda. Ou seja, 28.000 amostras por segundo.

Os pinos analógicos do Arduino podem fornecer apenas 9.600 amostras por segundo. Com essa taxa de amostragem, só conseguiremos capturar ondas a 2kHz ou um pouco mais, o que está longe de ser bom. Graças ao chip ATMEGA, ele pode ser configurado para acelerar o processo ADC por um determinado fator, mantendo uma boa resolução. Isso é chamado de prescaler e pode ser configurado por meio de código. Existem vários fatores de divisão do prescaler, mas usaremos o fator 16 que, em teoria, nos dará uma taxa de amostragem de 77 kHz. Na prática, qualquer forma de cálculo reduzirá essa taxa de amostragem, portanto, só consegui obter cerca de 46 kHz, o que ainda é muito bom para este projeto.

Seguindo em frente, o esboço usa uma matriz de 512 bytes para armazenar válvulas de tensão do pino A4. Ele constantemente lê o valor do pino e o grava no próximo local do array. Assim que um raio é detectado, todo o array é enviado pela porta serial. Isso pode ser plotado no plotter gráfico no IDE do Arduino ou talvez enviado para outro Arduino ou ESP8266 para publicar os dados online. Provavelmente, é melhor monitorá-lo por meio do IDE do Arduino primeiro, então, se houver algumas falhas, elas podem ser resolvidas imediatamente.

Resultados

A seguir estão alguns resultados.

Obtenha o código-fonte do Github:https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

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

Tags:Arduino Eletromagenético EMF Lightning Sensor UNO VLF Weather

Código

Github

https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detectorhttps://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

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