自制雷电预报器

　雷雨季节，我们常会看到电光闪闪，听到雷声隆隆，这就是人们常说的雷电。雷电对人类的危害性众所周知，就每家每户而言，雷电发生时常会引起家庭失火、损坏家用电器，甚至危及人身安全！每年的5月～9月是我国雷雨频发的季节，科学预防雷电灾害活动具有极其重要的意义。

　　如果自己动手制作一个能够预报雷电的报警器，便可在雷雨到来之前，探测出远处天空云层间或云层与大地之间的放电，对雷电进行早期预警。这样，我们可以及时采取相关的防雷击措施，如断开家用电器的电源、拔掉计算机调制解调器的数据传输线、不使用电话和手机等，做到防患于未然！

　　图1 雷电预报器电路图

　　工作原理

　　这个雷电报警器的电路如图1所示，它实际上是一个高灵敏度的静电放电检测器。晶体三极管VT1、VT2组成直流耦合式自激振荡电路，其正反馈回路总增益由微调电位器RP来设定。晶体三极管VT3与晶体二极管VD、耦合电容器C4等组成整流开关电路。HA为微型压电陶瓷蜂鸣器。

　　平时，由晶体三极管VT1和VT2组成的振荡电路处于临界自激振荡状态，晶体三极管VT3因无合适偏压而处于截止状态，压电陶瓷蜂鸣器HA无电不工作。此时，整个电路耗电甚微，实测静态总电流≤60μA。每当远处云层放电或已发生雷击（云层与地面之间的放电）时，天线W检测到感应电信号，并经电容器C1耦合到晶体三极管VT1的基极，触发振荡电路起振。于是，VT2的集电极就会输出约42kHz的振荡电信号，经电容器C4耦合、晶体二极管VD整流后，向VT3的基极提供合适的正向偏置电压，使VT3导通，压电陶瓷蜂鸣器HA通电发出单音“嘀——”声，提醒主人：雷电将至，注意预防！

　　电路中，电容器C3设定了晶体三极管VT2发射极的固定相位，而接在微调电位器RP滑动触点上的电容器C2在振荡时会增加相移。C5为晶体三极管VT3输出电压的滤波兼延时电容器，它不仅能够使压电陶瓷蜂鸣器HA两端获得平稳的工作电压，使HA发声更响亮，而且由于其容量选择比较大，所以还具有一定的使HA延时发声作用。C6为电源滤波电容器，它能够降低电池G的交流内电阻，避免电路产生阻塞振荡，相对延长电池使用寿命。

　　图2 所用元器件实物外形图

　　元器件选择

　　该制作总共用了19个电子元器件和配件，可对照图2所示的实物集体照一一进行配购。

　　晶体管VT1～VT3均用9014（集电极最大允许电流ICM=0.1A，集电极最大允许功耗PCM=310mW）型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数β＞200。实际上任何同类型的小功率、高增益晶体三极管（如3DG8、BC109C等），都可以在这里使用。VD用1N4148型硅开关二极管。

　　HA选用CPB14A12-4.0型自带音源微型直流压电陶瓷蜂鸣器，其外形尺寸及引脚排列如图3所示，它实质上是一个内含振荡电路和压电陶瓷片的有源发声器；它不需要外加任何音频驱动电路，只要接通直流电源就能直接发声，使用非常方便。CPB14A12-4.0的主要参数：外形尺寸为φ14mm×7.5mm，重量0.9g；发声频率为4.0±0.5 kHZ（连续单音），声压电平≥80dB；直流工作电压范围3V～15V，工作电流≤7mA，工作温度范围-20℃～70℃。该压电陶瓷蜂鸣器属于微功耗器件，被广泛应用在各种仪器、仪表和微型报警装置上作发声器件。RP选用普通塑料封装的小型卧式微调电位器。R1～R4一律用RTX-1/4W型碳膜电阻器。C1、C2用CC1型高频瓷介电容器，C3、C4用CT1型低频瓷介电容器，C5、C6用CD11-16V型电解电容器。天线W可用一段φ1mm、长度150mm的铁（铜）丝。如果希望作品更美观一些的话，可选用便携式收音机常用的150mm长度的拉杆天线。G采用6F22-9V型叠层干电池，要求配上揿钮式接线扣板。本装置不设电源开关，用毕从揿钮式接线扣板上取下干电池即可。

图3 CPB14A12-4.0型压电陶瓷蜂鸣器 

可能不太容易上手，不适合初学者入门，资料也比较少，只能跑官网去找。占的指令空间较大，因为是16位单片机，程序以字为单位，有的指令竟然占6个字节，虽然程序表面上简洁，但与pic单片机比较空间占用很大。

   图4 “洞洞板”接线图

　　制作方法

　　整个制作过程可分为焊接电路、调试电路和组装3大步骤来完成，现分步介绍如下：

　　第1步，焊接电路。首先，裁取一块尺寸约为35 mm×20mm的单孔“洞洞板”，按照图4给出的电路板接线图进行焊接（注意：焊接面朝向读者，元器件在板的背面）。焊接时充分利用元器件引脚飞线连接，要求焊点光要求焊点光亮整洁。采用“洞洞板”的好处是取材简便、成本低廉、使用方便，可达到事半功倍的效果。焊接时注意，压电陶瓷蜂鸣器HA通过4cm长的两根细电线焊接在“洞洞板”上，电池扣板的引线长度以7cm左右为宜。焊接好的实物如图5所示。

　　图5 焊接好的电路

　　（a）元件面       （b）焊接面                 （c）整体图

　　第2步，调试电路。焊接好的电路，经检查无问题后，便可按图6（a）所示接通9V叠层干电池，开始进行调试。具体方法：首先，按照图6（b）所示，用小螺丝刀缓慢调节微调电位器RP的电阻值，使压电陶瓷蜂鸣器HA处于临界发声状态（即振荡电路处于临界起振状态）。调节RP电阻值的技巧是，可预先将小螺丝刀逆时针旋转至HA不发声，接着一边缓慢顺时针方向旋转小螺丝刀，一边听HA是否开始发声。当压电陶瓷蜂鸣器HA发声时，即停止顺时针方向旋转小螺丝刀，并反方向（逆时针）稍退回一点点，使HA停止发声，即获最佳工作状态。

　　然后，按图6（c）所示，用小螺丝刀或手指直接去触及一下天线W，则压电陶瓷蜂鸣器HA应发声1s～2s。如果HA连续发声或根本不发声，则说明探测器的灵敏度过高或太低，应重新微调RP，再进行检测，直到符合要求。还可以用塑料梳子连续梳干燥的头发十多下，使塑料梳子与头发摩擦后带上静电，在距离天线W约2m远的地方用手指逼近塑料梳子使其放电，以检验能否让压电陶瓷蜂鸣器HA可靠发声1～2s。如果不符合要求，亦应重新细调RP，直至达到要求为止。

　　图6 电路的调试

　　 （a）接通干电池G

   （b）微调电位器   

（c）RP                                       

　　使用方法

　　雷电预报器做成功以后，可摆放在计算机桌旁或经常有人的地方，进行每天24小时全天候的雷电预报工作。一旦预报器反复发声，在排除其他静电放电干扰的情况下，便说明雷电即将到来。

　　需要指出的是，该预报器不仅能够探测静电放电，而且还能探测附近各种电器产生的“电火花”。每当开关附近的电灯或其他用电器的电源开关时，“天线宝宝”均会发声1～2s。而如果房间空气比较干燥时，人体就会带上较高的静电，当用手去接触金属门拉手或其他物体时，只要产生静电放电，亦会触发不远处的“天线宝宝”发声1～2s。使用中应注意加以区分，不要预报器一发声就判断为雷电将至。如果使用中发现预报器的探测灵敏度不够理想，可按照前面所讲的电路调试方法，微调电位器RP的电阻值，并进行灵敏度测试，直到满意为止。该预报器一般可检测到半径5km范围内的云中放电。其电路静态工作电流≤60μA，报警时工作电流为4mA左右。每换一块9V新干电池，通常可连续监控一年时间。