Un detector de rayos para Arduino

Acerca de este proyecto

En este tutorial, construiremos un detector de rayos usando un Arduino Uno, algunas resistencias y algunos cables de puente. La mayoría de los detectores de rayos a menudo cuestan demasiado para el aficionado normal, sin embargo, esto no significa que uno no pueda disfrutar de la detección de rayos y la física detrás de ellos. En este tutorial, utilizando un circuito sorprendentemente sencillo, podremos detectar relámpagos a unos 10-20 km de distancia, lo que es lo menos impresionante. El objetivo es construir un circuito simple para detectar relámpagos con un Arduino y producir resultados significativos.

Antecedentes

Cuando cae un rayo, se libera una gran cantidad de energía en diferentes formas. Los más obvios son la luz y el sonido, siendo este último un subproducto de la tasa de aumento de temperatura de las partículas inmediatas que rodean al rayo, que luego provoca el sonido. Pero eso no es todo. Los relámpagos emiten una gran cantidad de radiación electromagnética en el rango de VLF (muy baja frecuencia) y LF (baja frecuencia), que suelen oscilar entre 3 kHz y 300 kHz. VLF y LF son similares a las ondas de luz, sus ondas WiFi y también las ondas de su horno microondas, pero con la diferencia de operar a frecuencias más bajas. p.ej. El WiFi normalmente funciona a unos 2,4 GHz, es decir, 2,4 mil millones de oscilaciones por segundo. VLF y LF operan a frecuencias más bajas, y con un Arduino podemos capturar frecuencias alrededor de 7kHz. Las ventajas de utilizar este tipo de radiación para la detección de rayos es que normalmente nada emite ráfagas grandes como se ven en los rayos, alrededor de esta frecuencia; y al ser una onda electromagnética, viaja a la velocidad de la luz, lo que significa que el sensor detectará los relámpagos a medida que ocurren (unos microsegundos después). Nuestro pequeño Arduino tendrá una antena (más o menos), un trozo de cable que detectará fluctuaciones en el espectro electromagnético específicamente alrededor de los 7-9 kHz. Estas fluctuaciones inducirán un pequeño voltaje + ve o -ve en el cable. Podemos seleccionar estas fluctuaciones usando los pines analógicos de Arduino.

Requisitos previos

• Resistencia de 2x10k ohmios

• 1 resistencia de 3,3 M ohmios

• 4 cables de puente

• 1x Arduino (estoy usando Uno, pero cualquier otro funcionará siempre que pueda operar a 16Mhz)

• Tablero de pruebas para simplificar

Como ya sabrá, los pines de la placa Arduino permiten voltajes entre 0v y 5v, no se leerá nada por debajo de 0v y por encima de 5v, por lo que se perderán los datos. Más importante aún, los voltajes por debajo de 0v dañarán potencialmente el pin. Esto nos creará un pequeño problema porque los voltajes producidos en el cable fluctúan por debajo y por encima de 0v. Para resolver este problema, configuramos el voltaje del pin en el medio del rango de 5v, a 2.5v y esto se logrará usando un pequeño truco, un divisor de voltaje. Al hacerlo, estableceremos el pin en un valor constante de 2.5v y las fluctuaciones de voltaje tendrán un origen de 2.5v, por lo que no habrá daños ni pérdida de datos.

El circuito es bastante sencillo, tenemos resistencias de 2x 10k Ohm en serie desde 5v (cable rojo) a GND (cable negro), este es básicamente el divisor de voltaje. Luego, se conecta una resistencia de 3.3M Ohm (MegaOhm) entre la resistencia de 2x 10k Ohm. En serie con la resistencia de 3.3M Ohm, conecte un cable al pin A4 (cable azul), esto nos dará exactamente 2.5v en el pin A4. Luego, conecte un cable que actuará como una antena (cable verde) de alrededor de 6 a 8 pulgadas de largo. Esto debe conectarse desde un extremo solo como se muestra arriba.

Bosquejo

Aquí viene la parte más difícil de explicar. Como se mencionó anteriormente, la frecuencia que necesitamos captar de los relámpagos es de alrededor de 7 kHz y para leer una onda semi-decente, la frecuencia de muestreo debe ser 4 veces mayor, lo que nos da 4 lecturas por longitud de onda. Es decir, 28.000 muestras por segundo.

Los pines analógicos de Arduino solo pueden darnos 9,600 muestras por segundo. Con esa frecuencia de muestreo solo podremos capturar ondas a 2kHz o un poco más, lo que está lejos de ser bueno. Gracias al chip ATMEGA, se puede configurar para acelerar el proceso ADC en un cierto factor, manteniendo una buena resolución. Esto se llama pre-escalador y se puede configurar mediante código. Hay varios factores de división del preescalador, pero usaremos el factor 16 que, en teoría, nos dará una frecuencia de muestreo de 77 kHz. En la práctica, cualquier forma de cálculo reducirá esta frecuencia de muestreo, por lo que solo pude obtener alrededor de 46 kHz, lo que sigue siendo muy bueno para este proyecto.

Entonces, avanzando, el boceto usa una matriz de 512 bytes para almacenar válvulas de voltaje desde el pin A4. Constantemente lee el valor del pin y lo escribe en la siguiente ubicación de la matriz. Tan pronto como se detecta un rayo, toda la matriz se envía a través del puerto serie. Esto se puede trazar en el trazador de gráficos en Arduino IDE o tal vez enviarse a otro Arduino o ESP8266 para publicar los datos en línea. Probablemente sea mejor monitorearlo a través del IDE de Arduino al principio, por lo que si hay algunos fallos, se pueden abordar allí mismo.

Resultados

Los siguientes son algunos resultados.

Coge el código fuente de Github:https://github.com/klauscam/Arduino-Lightning-Detector

No dude en comentar a continuación si necesita más aclaraciones.

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