Arduino용 번개 감지기

이 프로젝트 정보

이 튜토리얼에서는 Arduino Uno, 몇 개의 저항 및 몇 개의 점퍼 와이어를 사용하여 번개 감지기를 구축할 것입니다. 대부분의 번개 감지기는 일반 애호가에게 너무 많은 비용이 들지만 이것이 번개 감지와 그 이면의 물리학을 즐길 수 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 이 튜토리얼에서는 놀랍도록 간단한 회로를 사용하여 약 10-20km 떨어진 곳에서 번개를 감지할 수 있습니다. 목표는 Arduino로 번개를 감지하고 의미 있는 결과를 생성하는 간단한 회로를 구성하는 것입니다.

배경

번개가 치면 엄청난 양의 에너지가 다양한 형태로 방출됩니다. 가장 분명한 것은 빛과 소리이며, 후자는 번개를 둘러싼 직접적인 입자의 온도 증가율의 부산물이며, 그 결과 소리가 발생합니다. 하지만 그게 다가 아닙니다. 번개는 일반적으로 3kHz ~ 300kHz 범위의 VLF(초저주파) 및 LF(저주파) 범위에서 많은 양의 전자기 복사를 방출합니다. VLF 및 LF는 광파, WiFi 파 및 전자 레인지 파와 유사하지만 더 낮은 주파수에서 작동한다는 차이점이 있습니다. 예를 들어 WiFi는 일반적으로 초당 24억 번 진동하는 약 2.4GHz에서 작동합니다. VLF와 LF는 더 낮은 주파수에서 작동하며 Arduino를 사용하면 약 7kHz의 주파수를 캡처할 수 있습니다. 번개 감지에 이러한 종류의 방사선을 사용할 때의 이점은 일반적으로 이 주파수 주변에서 번개에서 볼 수 있는 것처럼 큰 폭발을 일으키지 않는다는 것입니다. 그리고 전자기파이기 때문에 빛의 속도로 이동합니다. 즉, 센서는 번개가 발생할 때(몇 마이크로초 후) 번개를 감지합니다. 우리의 작은 Arduino에는 특히 7-9kHz 주변의 전자기 스펙트럼의 변동을 선택하는 와이어 조각인 안테나(일종의)가 있습니다. 이러한 변동은 와이어에 작은 전압 +ve 또는 -ve를 유도합니다. Arduino의 아날로그 핀을 사용하여 이러한 변동을 선택할 수 있습니다.

전제 조건

이미 알고 있듯이 Arduino 보드의 핀은 0v와 5v 사이의 전압을 허용하며 0v 미만 및 5v 초과는 읽을 수 없으므로 데이터가 손실됩니다. 더 중요한 것은 0v 미만의 전압은 잠재적으로 핀을 손상시킬 수 있다는 것입니다. 이것은 와이어에서 생성된 전압이 0v 이하 및 이상으로 변동하기 때문에 우리에게 약간의 문제를 일으킬 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 5v 범위의 중간에 핀 전압을 2.5v로 설정하고 이것은 전압 분배기라는 약간의 트릭을 사용하여 수행됩니다. 그렇게 함으로써 우리는 핀을 2.5v로 안정적으로 설정하고 전압 변동은 2.5v의 근원을 가지므로 데이터의 손상이나 손실이 없습니다.

회로는 매우 간단합니다. 우리는 5v(빨간색 선)에서 GND(검은색 선)까지 직렬로 연결된 2x 10k Ohm 저항을 가지고 있습니다. 이것은 기본적으로 전압 분배기입니다. 그런 다음 3.3M Ohm(MegaOhm) 저항이 2x 10k Ohm 저항 사이에 연결됩니다. 3.3M Ohm 저항과 직렬로 와이어를 핀 A4(파란색 와이어)에 연결하면 핀 A4에서 정확히 2.5v가 됩니다. 그런 다음 길이가 약 6-8인치인 안테나(녹색 와이어) 역할을 하는 와이어를 연결합니다. 위와 같이 한쪽 끝에서만 연결해야 합니다.

스케치

여기에서 설명하기 가장 어려운 부분이 나옵니다. 위에서 언급했듯이 번개에서 잡아야 하는 주파수는 약 7kHz이고 준파형을 읽으려면 샘플 속도가 4배여야 하므로 파장당 4개의 판독값을 얻을 수 있습니다. 즉, 초당 28,000개의 샘플입니다.

Arduino 아날로그 핀은 초당 9,600개의 샘플만 제공할 수 있습니다. 그 샘플 레이트를 사용하면 2kHz 또는 그 이상에서만 웨이브를 캡처할 수 있으며 이는 좋지 않습니다. ATMEGA 칩 덕분에 좋은 분해능을 유지하면서 ADC 프로세스의 속도를 특정 요인으로 높이도록 구성할 수 있습니다. 이를 프리스케일러라고 하며 코드를 통해 구성할 수 있습니다. 많은 프리스케일러 분할 요소가 있지만 이론상 77kHz의 샘플링 속도를 제공하는 요소 16을 사용할 것입니다. 실제로 어떤 형태의 계산도 이 샘플링 속도를 낮추므로 이 프로젝트에 여전히 매우 좋은 약 46kHz만 얻을 수 있었습니다.

따라서 스케치는 512바이트 어레이를 사용하여 핀 A4의 전압 밸브를 저장합니다. 지속적으로 핀 값을 읽고 어레이의 다음 위치에 씁니다. 번개가 감지되는 즉시 전체 어레이가 직렬 포트를 통해 전송됩니다. 이것은 Arduino IDE의 그래프 플로터에 표시하거나 다른 Arduino 또는 ESP8266으로 전송하여 데이터를 온라인에 게시할 수 있습니다. 처음에는 Arduino IDE를 통해 모니터링하는 것이 가장 좋은 방법일 것입니다. 따라서 약간의 결함이 있는 경우 그곳에서 처리한 다음 해결할 수 있습니다.

결과

다음은 일부 결과입니다.

Github에서 소스 코드 가져오기:https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

추가 설명이 필요한 경우 아래에 의견을 보내주십시오.

태그:Arduino 전자기 EMF 번개 센서 UNO VLF 날씨

코드

깃허브