Детектор грозы своими руками

От грозоотметчика А.С. Попова до AS3935

Автор: Сергей Безруков (aka Ser60), sergeilb60@mail.ru
Опубликовано 25.07.2017
Создано при помощи КотоРед.

Как известно, история создания первых грозоотметчиков (когереров) восходит к середине 1800-х годов. Среди их изобретателей выделяется наш с вами соотечественник, Александр Степанович Попов, который внёс ощутимый вклад в конструирование и усовершенствование аппаратов своего времени и применение их для исследования и регистрации электромагнитных колебаний в атмосфере, тем самым создав предпосылки для разработки теории и практики основ радиосвязи. Сегодня применение грозоотметчиков включает определение координат ударов молний методом триангуляций с целью предупреждения лесных пожаров, выхода из строя оборудования, и т.п. Промышленностью также выпускаются малогабаритные переносные грозоотметчики, которые предупреждают о надвигающейся грозе людей, работающих на открытых пространствах в поле или на воде, в том числе рыбаков. Предлагаемый вниманию грозоотметчик и был разработан для рыбалки на озёрах.

Прибор создан на основе микросхемы AS3935 производства компании Austria Micro Systeme. Она позволяет обнаружить надвигающийся шторм на расстоянии до 40 км и оценить расстояние до его переднего фронта. На диаграмме ниже крестиками показаны отдельные грозовые разряды надвигающегося шторма, а красной линией – расстояние, возвращаемое микросхемой. Алгоритмы реализованы аппаратно, запатентованы фирмой, и широкой публике недоступны.

Микросхема содержит несколько регистров настройки, позволяющих регулировать её чувствительность и избирательность к помехам, не соответствующим грозовым разрядам. К таковым относятся помехи создаваемые, например, бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, аппаратами электросварки, и даже разнообразными бытовыми приборами. Микросхема поддерживает интерфейсы I2C и SPI для коммуникации с МК. Помимо режима сна в ней имеются два рабочих режима для работы в помещении или на улице. Установкой битов конфигурации в регистрах 0х00 – 0х02 вносятся коррективы в настройку аналоговой приёмной части, что позволяет уменьшить вероятность ложного определения гроз.

Приём сигналов ведется на магнитную антенну L1 с ферритовым сердечником, свойства которой оговорены в ДШ. Я случайно обнаружил, что фирма Coilcraft выпускает готовые намотанные антенны, специально предназначенные для работы с этой микросхемой. Наименование модели антенны приведено на принципиальной схеме. Для нормальной работы микросхемы параллельный колебательный контур магнитной антенны должен быть настроен на частоту возможно более близкую (±3.5%) к 500 кгц. Для этого микросхема снабжена встроенными конденсаторами и блоком, облегчающим настройку. При настройке антенны она включается микросхемой в частотозадающий контур внутреннего генератора, частота которого установкой бита DISP_LCO в регистре 0х08 выводится через вывод IRQ корпуса. Внешним МК предполагается измерить эту частоту и битами TUN_CAP в регистре 0х08 подключить соответственно большую или меньшую ёмкость (в диапазоне 0 – 128 пФ) параллельно контуру антенны для настройки. Это принципиальный момент, от которого во многом зависит качество работы внутренних алгоритмов. Выбором пассивных элементов C6 и C7 обеспечивается настройка контура на частоту несколько превышающую 500 кгц. В моей программе на каждом цикле измерения частоты увеличением значения TUN_CAP параллельно контуру подключается дополнительная внутренняя ёмкость в 8 пФ до тех пор пока частота не войдёт в требуемый диапазон около 500 кгц. На этом настройку контура антенны можно считать законченной.

После настройки антенны засылкой кода 0х96 в регистр 0х3D следует подать команду подстройки двух внутренних RC генераторов AS3935, также существенно влияющих на надёжность разпознавания и различения гроз и помех. В отличии от контура антенны генераторы калибруются самой микросхемой автоматически по подаче соответствующей команды. При этом в качестве эталона микросхема использует частоту резонанса (предварительно настроенного) контура магнитной антенны, предполагая, что она равна 500 кгц. Установкой битов DISP_SRCO и DISP_TRCO в регистре 0х08 сигнал от каждого из генераторов также может быть выведен на вывод IRQ для контроля частоты. Значения емкости конденсаторов подстройки контура антенны и настройки внутренних генераторов записываются во внутреннюю память AS3935 и сохраняются до выключения питания. Калибровку антенны и генераторов следует производить каждый раз по подаче питания на схему. Встроенная в AS3935 система термокомпенсации этих параметров исключает необходимость подстройки их в процессе работы микросхемы. Все генераторы выключаются при переводе микросхемы в режим сна power-down (бит PWD в регистре 0х00). Экспериментально было установлено, что значения внутренних регистров микросхемы сохраняются во сне — этот факт явно не упомянут в ДШ. После окончания калибровки на ЖКИ в целях контроля в течении двух секунд выводятся частоты настройки входного контура и RC генераторов в килогерцах. Последние две должны быть близки к 32 кгц и 1150 кгц.

Фирма предлагает демонстрационные наборы на основе AS3935, а также платы генераторов помех и сигналов для калибровки и проверки работоспособности системы. Стоят они довольно дорого, я-бы даже сказал слишком дорого. Однако, без них мои эксперименты с системой растянулись на несколько лет, т.к. для испытаний нужен грозовой дождь, а в промежутках между ними я переключался на другую деятельность и зачастую потом не хотел отвлекаться. Предлагаемая система предназначена для работы на природе вдали от помех, создаваемых деятельностью человека. С дефолтными настройками система уверенно распознаёт приближение грозы на расстоянии не менее 10 км. Если-же уровень помех будет слишком высоким для нормальной работы микросхемы, на дисплее время от времени появится следующее предупреждение.

При этом следует увеличить порог распознавания сигналов битами NF_LEV в регистре 0х01 и/или снизить усиление тракта битами AFE_GB в регистре 0х00 за счёт снижения эффективности системы. Я пробовал играть этими параметрами, однако их дефолтные значения оказались приемлимыми, даже оптимальными, на природе, где помех немного. Если микросхема квалифицирует принятый сигнал как искусственную помеху, сообщение на дисплее примет следующий вид.

Распознавание искусственных помех можно частично подстроить битами SREJ в регистре 0х02. Наконец, если принятый сигнал будет квалифицирован алгоритмом как разряд молнии, микросхема произведёт анализ его временных и мощностных характеристик и на основе этого анализа, а также собранной в процессе работы статистики сигналов, выдаст оценку расстояния до переднего фронта грозы в километрах в регистре 0х07. Микросхема также автоматически заботится об удалении устаревшей статистики при анализе новых сигналов. Статистику можно сбросить и вручную битом CL_STAT в регистре 0х02. При регистрации грозы схемой производится подача кратковременного звукового сигнала и индикация расстояния до неё.

Извещение МК о регистрации отмеченных событий производится микросхемой посредством установки высокого уровня на выводе IRQ. При этом биты INT в регистре статуса 0х03 содержат информацию о событии. Сигнал IRQ обнуляется при чтении статуса по интерфейсу I2C (в схеме). Каждое прерывание соответствует одному и только одному описанному выше событию (Noise/Disturber/Lightning). После регистрации событий микросхема автоматически возвращается в режим слежения за сигналами, а приведённые выше сообщения выводятся на дисплей в течении 8 секунд. По истечении этого срока на дисплее появляется сообщение о работе системы в режиме мониторинга гроз, которое показывается до регистрации нового события или перевода устройства в другой режим пользователем (см. ниже).

Для расширения функционала устройства я решил снабдить его часами – пусть от него будет польза в промежутках между дождями. В нижней строке ЖКИ отображается текущее время и дата в форматах hh:mm и dd/mm, соответственно. При эксплуатации устройства только как часы в условиях сильных промышленных помех функцию мониторинга гроз можно отключить, нажав на правую кнопку. При этом AS3935 переводится в режим power-down, на экран выводится лишь время и дата в нижней строке, а в верхней появляется сооветствующее наименование режима. Перевод устройства обратно в режим слежения за грозами производится повторным нажатием на правую кнопку. При этом заново производится калибровка всех генераторов, что требуется по выходу AS3935 из режима сна.

Помимо AS3935 и графического ЖКИ в схеме присутствует микроконтроллер IC1, повышающий DC/DC конвертер IC3 и несколько деталей по мелочи, о которых подробнее будет рассказано ниже. При регистрации гроз пьезоэлектрическим излучателем B1 кратковременно подаётся прерывистый звуковой сигнал частотой 9.6 кгц, коммутируемый транзистором VT1. Транзистор VT2 служит для отключения питания дисплея в целях экономии энергии батарей (после выполнения программной процедуры отключения, см. ДШ). Ручное отключение дисплея может быть произведено нажатием на левую кнопку. Помимо этого, производится автоматическое выключение ЖКИ в тёмное время суток. При выключенном ЖКИ продолжается ход часов, а в режиме слежения за грозами их мониторинг и акустуческое оповещение посредством B1. При регистрации грозы ЖКИ автоматически включается, давая пользователю возможность прочитать расстояние до её фронта на дисплее. Ручное включение дисплея может быть осуществлено нажатием на любую кнопку.

Контроль уровня освещённости производится фотодиодом VD1 с периодом 5 минут, напряжение на котором измеряется встроенным в МК АЦП вкупе со встроенным опорником на 1.5В. При полной засветке напряжение на фотодиоде составляет около 0.4В. Коммуникация МК с ЖКИ производится по интерфейсу SPI на тактовой частоте 4 мгц, а с AS3935 – по интерфейсу I2C с подтягивающими резисторами R5, R6. Для управления потоками данных через эти интерфейсы задействованы 3 канала DMA в МК. Отличительной особенностью применённого ЖКИ, производимого немецкой фирмой Electronic Assembly, является его довольно низкое токопотребление в используемом включении – всего около 110 мкА (по цепи 3В). Разрешение дисплея 132×32 точек.

МК в активном режиме тактируется на частоте 8 мгц от внутреннего генератора. Часовой кристалл Q1 служит для формирования точных временных интервалов при измерении частоты настройки входного контура AS3935 и её RC генераторов, а также для тактирования встроенного в МК RTC. Время суток и дата устанавливаются кнопками на выводах 1,4,5 МК. Средней кнопкой выбирается устанавливаемый параметр (часы/минуты/день/месяц) в циклическом порядке, а остальными двумя его увеличение или уменьшение. Для простоты установка года не производится и работа часов ориентирована на невисокосный год 2017. В противном случае следует раз в 4 года переустановить дату 29 февраля.

Питание схемы производится от двух пальчиковых батарей типоразмера ААА, соединёных параллельно для увеличения ёмкости. Я долго возился с автоматическим переключением батарей в процессе их разряда. Однако, в результате этих экспериментов выяснилось, что параметры батарей из одной партии весьма близки и выигрыш в переключении их в сравнении с параллельным соединением (и возможным разрядом одной из них о другую) практически близок к нулевому. Микросхема конвертера IC3 уникальна по своим параметрам, имеет собственное потребление в районе нескольких микроампер и достаточно высокий КПД при малых нагрузках. Напряжение на её выходе +3В. Токопотребление схемы от батарей в режиме мониторинга гроз при включённом ЖКИ составляет около 610 мкА. При выключении ЖКИ оно снижается до 210 мкА. В режиме выключенного мониторинга гроз (режим только часов) измеренное токопотребление при работающем ЖКИ составило 430 мкА, а при выключенном — всего 37 мкА. Таким образом, устройство сможет работать от одного комплекта батарей на протяжении всего грозового периода в году (в средней полосе).

Плата прибора выполнена из одностороннего текстолита, файл платы для системы Eagle прилагается. Большинство деталей установлено на её верхней плоскости под ЖКИ. Фольга вокруг места установки антенны удалена. Несколько неразведённых соединений реализованы проволочными перемычками. Плата помещена в герметичный прозрачный пластиковый корпус (модель 1591-A фирмы Hammond). Держатели батарей смонтированы на тыльной части корпуса. Конечно, полной влаго-неприницаемости корпуса с применёнными кнопками реализовать не удалось, но я старался максимально приблизиться к этому уменьшением до минимума диаметра отверстий под кнопки. По этой-же причине пришлось отказаться от выключателя питания и разъёма на корпусе для зарядки батарей при питании от аккумулятора. Работоспособность схемы сохраняется при разрядке батарей до 0.9В.

Программа МК отлажена в свободной версии системы IAR Embedded Workbench. Загружаемый код занимает около 5.5Кб из 16Кб, имеющихся в МК. Исходный текст программы прилагается. Программирование МК производится через разъём X1 и интерфейс Spy-Bi-Wire для MSP430. Для внутрисхемной отладки и программирования МК использовался штатный инструмент MSP-FET430UIF. В целях уменьшения числа сообщений при работе устройства в условиях помех, генерация прерываний от событий Disturber запрещена установкой бита MASK_DIST в регистре 0х03 микросхемы AS3935. Для её разрешения следует закомментировать строки кода с номерами 439 и 440.

Источник

Детектор интенсивности молний

Общеизвестно, что силы природы могут быть разрушительными. Это доказано снова и снова: бури, цунами, торнадо, землетрясения, и это лишь некоторые из проявлений. К счастью, появление этих впечатляющих природных сил редко. Гроза- наиболее часто встречающиеся явление с меньшим влиянием, чем любое из вышеперечисленных (но отнюдь не менее опасное), вызванное электрическими зарядами в огромном масштабе, что делает его пригодным для обнаружения с помощью электронных средств.

Автору пришла в голову идея разработать эту схему во время спортивных соревнований. Многие из зрителей были быстры, чтобы успеть развернуть свои зонтики, когда начался дождь. Это произошло в то время, когда далеких раскатов грома еще не было слышно. Вдруг, большая группа людей бросила зонтики на землю. Через несколько секунд ударила молния. Видимо, зонты работали в качестве своего рода антенны. К счастью, не было прямого попадания, поэтому количество энергии, наведенное в зонтах, было достаточно мало, чтобы не нанести травмы или серьезные повреждения.

После восстановления от «атаки» сверху, один из владельцев зонтика начал изучать предмет гроз и превратил результаты изучения в практическую схему, которая бы позволила ему получить более полное представление о «работе» этого увлекательного природного события. Мы должны отметить, что конструкция, обсуждаемая здесь, предназначена только для обнаружения молний. К сожалению, этот метод обнаружения не скажет вам, расстояние между молнией и детектором и не дает раннего предупреждения о неминуемой молнии. С другой стороны, схема предусматривает индикацию с полезным показателем- напряженности электрического поля, которое сопровождает грозовой разряд.

Грозы.
В то время, как ученые придерживаются различных теорий о точном происхождении и последствиях гроз, они обычно договариваются о следующем.
Большая разница напряжение возникает между грозовым облаком и земной поверхностью, что приводит к чрезвычайно сильным электрическим полям. В конце концов, напряженность поля между облаком и землей поднимается до уровня, при котором в результате ионизации, область газа (воздуха) превращается в плазму. Плазма обеспечивает путь для дугового разряда. Как только плазменный канал достигает Земли, заряды могут начать протекать между облаками и землей. В результате ток в плазменном канале огромен.
Поскольку плазменный канал представляет собой определенное сопротивление (хотя и очень маленькое), происходит выделение тепла. Научные измерения показали, что температура внутри молнии может превышать температуру на поверхности Солнца! Внезапное повышение температуры приводит к тому, что окружающий воздух расширяется и образуется распространяющаяся ударная волна, которую мы можем слышать, как удар грома.
Ударная волна, кстати, может быть опасна, и не только для ваших барабанных перепонок! Чем короче разряда, тем более интенсивна ударная волна. Были зарегистрированы случаи обрушения домов от ударных волн грозовых разрядов.

Измерение.
Итак, как мы можем определить, что разряд молнии произошел в окрестностях? В то время, как образуется плазма, электрический потенциал плазмы будет примерно равен грозовой туче. Электрическое поле может быть описано в терминах разности потенциалов на единицу расстояния (вольт на метр). С плазмой заряды быстро приближаются к Земле, плотности поля между плазмой и землей будут увеличиваться. Это резкое увеличение плотности электрического поля может быть обнаружено с помощью антенны.
Поскольку напряжения огромны, они должны быть снижены до уровня, при котором полупроводники смогут работать.

Описание схемы.

Рис. 1. Принципиальная схема

Практическая схема детектора интенсивности молнии показана на рисунке 1. К устройству подключают телескопическую антенну длиной около 1 м, ко входу с надписью «Ant». Если гроза все еще относительно далеко, чувствительность детектора может быть увеличена путем подключения заземления на водопровод или центральное отопление. Напряжение, наведенное в антенне снижается на двух потенциальных делителях, R2-R3 и R4-R5.

Снижение напряжения является значительным.

Делитель напряжения R2-R3 снижает напряжение на коэффициент
(R2 + R3) / R3 = 214
в то время как R4-R5 рассчитан на коэффициент
(R4 + R5) / R5 = 4,546.
Каждое из приведенных напряжений прикладывается ко входу установки RS-триггера. Здесь, триггеры построены из NAND элементов с входом триггера Шмитта. Используются микросхемы типа 4093 (IC1 и IC2) в этой цепи. Они были выбраны потому, что уровни триггера Шмитта не позволяют своим выходам изменить состояние(т. е. от высокого к низкому или от низкого к высокому), пока напряжение на входе превышает или не падает ниже точно определенного верхнего или нижнего уровня, соответственно. Гистерезис, созданный таким образом, обеспечивает отсутствие «неопределенного» состояния.

Как только напряжение на антенне достигает 1.3 киловольт (1300 вольт!), на R3 упадет примерно 2,9 вольта. Это типичный порог переключения для 4093 работающего при напряжении питания от 5 Вольт. Следовательно, на выходе инвертора IC1a логический ноль и поэтому триггер, построенный на IC1b и IC1c устанавливается в «1», а также зажигается светодиод D1 . В связи с фиксацией триггером, индикатор останется включенным, даже если напряжение на антенне исчезает. Индикатор может быть выключен путем сброса триггера, что можно сделать, нажав кнопку S1.

Тот же принцип работы относится к IC2 и светодиоду D2, хотя, напряжение на антенне должно превышать 13 кВ для напряжения 2,9 В на входе IC2A. Другими словами, этот второй детектор требует сильного электрического поля, чтобы включить светодиод, поэтому он менее «чувствительный», чем первый детектор.
Значения R3 и R5, подбираются экспериментально, чтобы видеть, какие электрические поля возникают вокруг вашего дома во время грозы.
После разряда молнии схема может быть подготовлена для следующего измерения нажатием на кнопку сброса S1.

Список компонентов
Резисторы:
R1 = 10kΩ
R2,R4 = 10MΩ
R3 = 22kΩ
R5 = 2kΩ2
R6,R 7= 1kΩ
Сонденсаторы:
C1-C4 = 100nF
Полупроводники:
D1,D2 = Красные светодиоды, слаботочные
IC1,IC2 = 4093
IC3 = 78L05 (см. текст)
Разное:
ANT = телескомическая антенна или 1м провода
K1 = 9V батарея
S1 = Кнопка , 1 замыкающий контакт

Питание.

Блок питания не может быть проще. 9-V (PP3 или 6F22) батарея обеспечивает 78L05 регулятор (IC3), который, в свою очередь, обеспечивает стабильное 5-ти вольтовое напряжение питания для остальной части схемы. При желании, схема может быть сделана, чтобы работать от 6-вольтовой батареи с помощью регулятор с низким напряжением падением на месте IC3. Например, 2951 требуется всего 5,5 В на входе для стабильного 5-V выходного напряжения.
Потребляемый ток схемы составляет всего несколько миллиампер. Поскольку схема не нужна все время во включенном состоянии, аккумулятора, вероятно, хватит на несколько лет.

Конструкция.
Печатная плата, разработанная для детектора приведена на рисунке (рис. 2).
PCB имеет размер спичечного коробка и вряд ли займет времени больше
чем час, чтобы собрать ее. Малый корпус для платы и батареи может быть любым.
Антенна может быть телескопической, но чтобы сократить расходы, то куска провода длиной 1 м также будет достаточно.

Предупреждение.
Прямой удар молнии и некоторых вторичных разрядов представляют собою смертельные напряжения и токи. Никогда не используйте этот инструмент выше самой высокой точки молниеотвода, в непосредственной близости от такой системы, или любым другим способом с целью привлечения молнии.

Elektor Electronics 6/2003 (Перевод evildesign )

Источник