Bouw een Kosteneffectieve Bliksemdetector met Arduino Uno

Onderdelen en Benodigdheden

Over dit Project

In deze tutorial bouwen we een bliksemdetector met een Arduino Uno, een paar weerstanden en draadbruggen. Meeste bliksemdetectors kosten te veel voor de gemiddelde hobbyist, maar dat betekent niet dat je niet kunt genieten van bliksemdetectie en de fysica erachter. Met een verrassend simpele schakeling kunnen we blitsen detecteren vanaf ongeveer 10-20 km afstand, wat indrukwekkend is. Het doel is een simpele schakeling te bouwen om bliksem met een Arduino te detecteren en zinvolle resultaten te produceren.

Achtergrond

Wanneer bliksem inslaat, wordt een enorme hoeveelheid energie vrijgemaakt in verschillende vormen. De meest voor de hand liggende zijn licht en geluid, het laatste een bijproduct van de temperatuurstijging van de direct omringende deeltjes rond de bliksemschicht, wat het geluid veroorzaakt. Maar dat is niet alles. Bliksem zendt grote hoeveelheden elektromagnetische straling uit in het VLF (Very Low Frequency) en LF (Low Frequency) bereik, typisch variërend van 3kHz tot 300kHz. VLF en LF zijn vergelijkbaar met lichtgolven, je WiFi golven en ook je magnetron golven, maar met het verschil dat ze op lagere frequenties werken. Bijv. WiFi werkt normaal rond 2,4GHz, dat zijn 2,4 miljard trillingen per seconde. VLF en LF werken op lagere frequenties, en met een Arduino kunnen we frequenties rond 7kHz vangen. Het voordeel van het gebruik van dit type straling voor bliksemdetectie is dat normaal niets grote bursts uitgeeft zoals bij bliksem, rond deze frequentie; en omdat het een elektromagnetische golf is, reist het met de snelheid van het licht, wat betekent dat de sensor bliksem detecteert op het moment dat het gebeurt (enkele microseconden later). Onze kleine Arduino heeft een antenne (zoals het waren), een stukje draad dat fluctuaties in het elektromagnetische spectrum opvangt, specifiek rond de 7-9kHz. Deze fluctuaties induceren een kleine spanning +ve of -ve in de draad. We kunnen deze fluctuaties meten met de analoge pinnen van de Arduino.

Vereisten

• 2x 10k Ohm Weerstand
• 1x 3.3M Ohm Weerstand
• 4x draadbruggen
• 1x Arduino (ik gebruik Uno, maar elke andere werkt zolang hij op 16MHz kan draaien)
• Breadboard voor eenvoud

Zoals je misschien al weet, laten de pinnen op het Arduino bord spanningen tussen 0V en 5V toe, alles onder 0V en boven 5V wordt niet gelezen, dus data gaat verloren. Belangrijker nog, spanningen onder 0V kunnen de pin potentiële schaden. Dit creëert een klein probleem voor ons omdat de spanningen in de draad fluctueren boven en onder 0V. Om dit op te lossen zetten we de pinspanning in het midden van het 5V bereik, op 2,5V en dit bereiken we met een klein trucje, een spanningsdeler. Hierdoor zetten we de pin op een vaste 2,5V en hebben de spanningsschommelingen een oorsprong van 2,5V, dus geen schade of dataverlies.

De schakeling is redelijk rechttoe rechtaan: we hebben 2x 10k Ohm weerstanden in serie van 5V (rode draad) naar GND (zwarte draad), dit is de spanningsdeler. Vervolgens is een 3.3M Ohm (MegaOhm) weerstand verbonden tussen de 2x 10k Ohm weerstanden. In serie met de 3.3M Ohm weerstand verbinden we een draad met pin A4 (blauwe draad), dit geeft ons precies 2,5V op pin A4. Vervolgens verbinden we een draad die als antenne fungeert (groene draad) van ongeveer 15-20 cm lang. Deze moet aan één kant alleen aangesloten worden zoals hierboven getoond.

Sketch

Hier komt het moeilijkste deel om uit te leggen. Zoals hierboven vermeld, is de frequentie die we van de bliksem moeten oppikken, rond 7kHz en om een halfwegs fatsoenlijke golf te lezen moet de bemonsteringssnelheid 4x zo hoog zijn, wat ons 4 metingen per golflengte geeft. Dat is 28.000 samples per seconde.

De Arduino analoge pinnen kunnen ons slechts 9.600 samples per seconde geven. Met die bemonsteringssnelheid kunnen we alleen golven van 2kHz of iets meer vangen, wat ver van goed is. Dankzij de ATMEGA chip kan deze geconfigureerd worden om het ADC-proces te versnellen met een bepaalde factor, terwijl een goede resolutie behouden blijft. Dit heet de prescaler en kan via code geconfigureerd worden. Er zijn diverse prescaler delingsfactoren maar we gebruiken factor 16 wat in theorie een bemonsteringssnelheid van 77kHz geeft. In de praktijk zal elke vorm van berekening deze snelheid verlagen, dus ik kon maar ongeveer 46kHz halen wat nog steeds heel goed is voor dit project.

De sketch gebruikt een 512 byte array om spanningwaarden van pin A4 op te slaan. Hij leest constant de pinwaarde en schrijft deze naar de volgende locatie in de array. Zodra een bliksem gedetecteerd wordt, wordt de hele array via de seriële poort verstuurd. Dit kan geplot worden op de grafische plotter in de Arduino IDE of misschien verstuurd naar een andere Arduino of ESP8266 om de data online te publiceren. Het is waarschijnlijk het beste om het eerst via de Arduino IDE te monitoren, zodat eventuele storingen daar direct aangepakt kunnen worden.

Resultaten

Hier zijn enkele resultaten.

Broncode van Github: https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

Voel je vrij om hieronder te reageren als je verdere verduidelijkingen nodig hebt.

Tags: Arduino, Elektromagnetisch, EMF, Bliksem, Sensor, UNO, VLF, Weer

Code

Github

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