基于單片機的普及型地震報警器設計與應用

卓鄭安，周 順，阮海宇

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

地震準確預報是世界性難題，而地震預警提供了為逃生避險贏得寶貴瞬間［1］。隨著地震預警研究的深入，融入了更多新科技，如基于雙頻GPS衛(wèi)星的地震預報系統(tǒng)等［2］。但有科學家認為，地震預警系統(tǒng)設備的廉價和可靠性，比精確性更重要。應該大量布設這些小型分立的地震報警設備并使信息共享，使之便宜并讓用戶容易獲得，從而彌補大型地震研究機構在信息傳遞方面的延遲性［3］。

地震縱波傳播的速度快于地震橫波的速度，而光的傳播速度遠大于地震波速度。地震預警技術就是利用縱波和橫波、光波和地震波的速度差，當破壞性地震尚未來襲的數(shù)秒至數(shù)十秒前發(fā)出預警。本文依據(jù)震級與加速度關系，開發(fā)了一款基于單片機的普及型地震報警器，對防災減災有積極的意義。

1 報警系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

地震發(fā)生時，地面由于運動而產(chǎn)生加速度，其大小反映了運動的激烈程度［4］。根據(jù)低重力（或振動）加速度傳感器的地震波檢測技術，采用三軸加速度傳感器（MMA8451Q）、單片機（MC9S12XS128）、液晶顯示器（LCD5110）、時鐘芯片（DS1302）等功能模塊，設計了地震檢測報警系統(tǒng)。地震波中橫波與縱波的傳播速度不同，危害程度也不同。用三軸加速度傳感器分別檢測橫波和縱波，解決了地震報警系統(tǒng)成本高、不適合廣泛普及的問題［5］。報警系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 報警系統(tǒng)工作原理

三軸加速度傳感器將檢測到的三軸（水平分量X軸、Y軸，垂直分量Z軸）地震加速度，分別轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字編碼，通過I2C數(shù)據(jù)總線傳遞給單片機處理；系統(tǒng)運行自主編寫的程序后，對三軸加速度作矢量合成并獲得對應震級。根據(jù)震級烈度表，驅(qū)動單片機產(chǎn)生不同的占空比去驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出不同的報警音，液晶顯示器顯示地震發(fā)生時間及震級。用戶通過按鍵與報警系統(tǒng)交互，如調(diào)整時間或終止錯誤報警等。

單片機模塊與加速度傳感器模塊、液晶顯示模塊串行通信，減少了IO口的使用，有利于二次開發(fā)及靈活應用各種調(diào)試手段［6］。硬件系統(tǒng)接線如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)設計思路

通過測量三軸重力加速度間接獲得對應震級。表1是國家質(zhì)量技術監(jiān)督局發(fā)布的《中國地震烈度表》［7］。

表1 中國地震烈度表

圖2 硬件系統(tǒng)接線圖

報警系統(tǒng)中主控單片機要控制的外部接口較多，但自帶64KB的Flash存儲空間。加入所有接口程序的同時也把表1加入到程序查詢表中。插值法精度高且穩(wěn)定，占用系統(tǒng)資源少。為了直觀顯示采樣點震級與加速度值關系，用插值法擬合表1中數(shù)據(jù)，得到圖3所示的震級與地震加速度關系仿真圖。

圖3 震級與地震加速度關系仿真圖

2 硬件設計方法

按照電路功能模塊在系統(tǒng)中的作用，合理選擇芯片并設計控制方法。單片機控制系統(tǒng)外部接口并協(xié)調(diào)各個模塊工作、處理信息數(shù)據(jù)、實現(xiàn)各類報警功能。

2.1 單片機控制設計

選用的單片機系統(tǒng)資源豐富，開發(fā)軟件功能強大。所用的16MHz外部無源晶振不但準確還可超頻運行，加快了程序響應時間［8］。單片機控制模塊接線圖［9］見圖4。

圖4 單片機控制模塊接線圖

2.2 加速度傳感器模塊設計

選用的三軸加速度傳感器有±2g／±4g／±8g動態(tài)量程選擇；使用I2C數(shù)字輸出接口，最高傳輸頻率為2.25MHz，保證了系統(tǒng)的實時性。有良好的靜態(tài)偏壓穩(wěn)定性和靈敏度，無需使用額外的溫度補償電路，最大限度地減少量化誤差的非線性［10］。

加速度傳感器模塊接線圖見圖5。模塊由穩(wěn)壓電源（MIC5205）供電；傳感器SCL腳與SDA腳為I2C通信口，按標準接上拉電阻；與外部相連的IO口都串聯(lián)1kΩ電阻做過流保護。

圖5 加速度傳感器模塊接線圖

2.3 人機交互模塊設計

人機交互模塊有液晶顯示屏和4個功能按鍵。顯示屏自帶PCD8544控制器，實時顯示當前震級、當前時間、電池剩余量。用字模提取軟件制作了漢字及圖形的單片機顯示字庫，圖6為字模提取軟件界面。液晶屏分辨率為48像素×84像素，采用英文字母為5像素×8像素、漢字為12像素×16像素就可清楚顯示。程序處理時根據(jù)其顯示控制器尋址原理倒序，8位為一列的編碼形式輸出；通信時使用PCD8544控制器指定的串行通信方式［11］。

圖6 字模提取軟件界面

2.4 聲音報警模塊設計

聲音報警模塊由單片機PWM輸出口、NPN型三極管、蜂鳴器組成。根據(jù)音調(diào)越高對應地震烈度越強的編程思想，占空比由編寫的程序根據(jù)對應震級范圍查表得到。單片機IO口輸出不同頻率到三極管基極使蜂鳴器發(fā)出不同音調(diào)。同時，單片機記錄震動時間并由時鐘芯片顯示。該時鐘芯片自帶三線接口與CPU同步通信，一次傳送多字節(jié)時鐘信號。

3 軟件編程思想

單片機軟件程序流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)初始化：向時鐘寄存器寫入初始時間；對傳感器設置工作方式；液晶屏清零并寫入初始震級0.0和當前時間；報警模塊定義程序運行中用到的各類數(shù)組。

系統(tǒng)主循環(huán)：三軸加速度模塊完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，程序利用采樣數(shù)值計算對應震級并保存到數(shù)組中。當液晶顯示器定時刷新中斷溢出時程序跳入中斷程序，屏幕顯示震級、地震時間、電池剩余量等。

執(zhí)行鍵盤掃描程序：無按鍵操作直接跳過剩下部分；按鍵按下才按照其功能處理，并進入新一輪循環(huán)。

3.1 震級轉(zhuǎn)換程序設計

震級轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖8所示。

圖7 單片機軟件程序流程圖

圖8 震級轉(zhuǎn)換程序流程圖

單片機用普通IO口方式，用編程模擬I2C總線時序與加速度傳感器。上電時配置傳感器內(nèi)部寄存器，設定為14位精度、2g量程；啟動傳感器內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集完成初始化。

震級轉(zhuǎn)換程序等待加速度傳感器完成一次數(shù)據(jù)采集后，通過程序轉(zhuǎn)換成對應三軸加速度并矢量合成［12］，與前次加速度矢量比較，計算出地震產(chǎn)生的加速度；轉(zhuǎn)換成地震烈度后，保存在程序中的地震烈度變量內(nèi)。

3.2 鍵盤掃描及設定程序設計

鍵盤掃描及設定程序流程圖見圖9。

若無按鍵按下則返回主程序；若按鍵按下則查詢按鍵編號及對應功能；若錯誤報警可按鍵停止；若按下時間設置鍵，可設置時間并寫入時鐘寄存器；若都不是則為誤操作而返回主程序。

3.3 液晶顯示和報警程序設計

液晶顯示的作用是直接觀察其他器件調(diào)試結(jié)果。對液晶屏定時全屏掃描保證信息實時更新，但占用系統(tǒng)資源多使系統(tǒng)性能下降；屏幕頻繁閃爍使顯示內(nèi)容不易看清。為此，研發(fā)了“定時按需刷新”方法，即刷新前簡單判斷：如果下一次顯示內(nèi)容與原先一致就保留，而僅在主程序中循環(huán)刷新時間顯示。液晶顯示程序流程圖如圖10所示。

圖9 鍵盤掃描及設定程序流程圖

液晶顯示器刷新程序?qū)懺诙〞r器中斷服務程序中。若定時器無溢出而產(chǎn)生中斷則不刷新；反之，則程序跳到定時器中斷服務程序內(nèi)，將溢出清零后開啟下一次定時。再檢查本次要刷新震級與上次已顯示震級是否一樣，是則就不刷新；否則先檢查個位數(shù)，由整數(shù)確定地震烈度并由報警程序語音報警。此后，在液晶顯示器上刷新震級得出相應震級條形圖；震級顯示后再顯示當前電池容量與刷新時間等。

圖10 液晶顯示程序流程圖

4 測試結(jié)果

將加速度傳感器靜置與桌面上，測得無明顯震動（靜態(tài)）時的重力加速度時間曲線見圖11。測得有明顯震動（動態(tài)）時的重力加速度時間曲線見圖12［13］。

圖11 60s內(nèi)重力加速度時間曲線（無明顯震動）

圖12 30s內(nèi)重力加速度時間曲線（有明顯震動）

一般的地震波傳播頻率較低，將圖11與圖12對比，震動信號強度差別明顯。例如，選擇圖11所示的重力加速度值0.012g作為加速度閾值，通過軟件低通濾波，濾除偶然的尖峰或其他干擾信號后，就能獲取正確的地震波信號；然后，再進行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換得到震級信息，提高報警有效性。

5 結(jié)論

（1）地震報警器安置在普通住房里。實驗證明，模擬地震活動時報警器實現(xiàn)了聲音報警；同時，比較精確地記錄和顯示出震級大小及地震時間等信息。

（2）利用地震三軸加速度與震級之間關系進行地震預警，是切實可行的有效方法，對于在地震預報不成熟的情況下減輕地震災害，具有積極的現(xiàn)實意義。

（3）地震報警器設計新穎，靈敏度較高，不需復雜調(diào)試即可使用。

（4）后續(xù)研制可開發(fā)系列應急功能，如接入應急照明和樓宇報警系統(tǒng)等。

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