基于单片机的普及型地震报警器设计与应用

2014-05-02卓郑安阮海宇

实验技术与管理 2014年4期

卓郑安，周顺，阮海宇

（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620）

地震准确预报是世界性难题，而地震预警提供了为逃生避险赢得宝贵瞬间［1］。随着地震预警研究的深入，融入了更多新科技，如基于双频GPS卫星的地震预报系统等［2］。但有科学家认为，地震预警系统设备的廉价和可靠性，比精确性更重要。应该大量布设这些小型分立的地震报警设备并使信息共享，使之便宜并让用户容易获得，从而弥补大型地震研究机构在信息传递方面的延迟性［3］。

地震纵波传播的速度快于地震横波的速度，而光的传播速度远大于地震波速度。地震预警技术就是利用纵波和横波、光波和地震波的速度差，当破坏性地震尚未来袭的数秒至数十秒前发出预警。本文依据震级与加速度关系，开发了一款基于单片机的普及型地震报警器，对防灾减灾有积极的意义。

1 报警系统设计

1.1 系统实现方法

地震发生时，地面由于运动而产生加速度，其大小反映了运动的激烈程度［4］。根据低重力（或振动）加速度传感器的地震波检测技术，采用三轴加速度传感器（MMA8451Q）、单片机（MC9S12XS128）、液晶显示器（LCD5110）、时钟芯片（DS1302）等功能模块，设计了地震检测报警系统。地震波中横波与纵波的传播速度不同，危害程度也不同。用三轴加速度传感器分别检测横波和纵波，解决了地震报警系统成本高、不适合广泛普及的问题［5］。报警系统工作原理如图1所示。

图1 报警系统工作原理

三轴加速度传感器将检测到的三轴（水平分量X轴、Y轴，垂直分量Z轴）地震加速度，分别转换成14位数字编码，通过I2C数据总线传递给单片机处理；系统运行自主编写的程序后，对三轴加速度作矢量合成并获得对应震级。根据震级烈度表，驱动单片机产生不同的占空比去驱动蜂鸣器发出不同的报警音，液晶显示器显示地震发生时间及震级。用户通过按键与报警系统交互，如调整时间或终止错误报警等。

单片机模块与加速度传感器模块、液晶显示模块串行通信，减少了IO口的使用，有利于二次开发及灵活应用各种调试手段［6］。硬件系统接线如图2所示。

1.2 系统设计思路

通过测量三轴重力加速度间接获得对应震级。表1是国家质量技术监督局发布的《中国地震烈度表》［7］。

表1 中国地震烈度表

图2 硬件系统接线图

报警系统中主控单片机要控制的外部接口较多，但自带64KB的Flash存储空间。加入所有接口程序的同时也把表1加入到程序查询表中。插值法精度高且稳定，占用系统资源少。为了直观显示采样点震级与加速度值关系，用插值法拟合表1中数据，得到图3所示的震级与地震加速度关系仿真图。

图3 震级与地震加速度关系仿真图

2 硬件设计方法

按照电路功能模块在系统中的作用，合理选择芯片并设计控制方法。单片机控制系统外部接口并协调各个模块工作、处理信息数据、实现各类报警功能。

2.1 单片机控制设计

选用的单片机系统资源丰富，开发软件功能强大。所用的16MHz外部无源晶振不但准确还可超频运行，加快了程序响应时间［8］。单片机控制模块接线图［9］见图4。

图4 单片机控制模块接线图

2.2 加速度传感器模块设计

选用的三轴加速度传感器有±2g／±4g／±8g动态量程选择；使用I2C数字输出接口，最高传输频率为2.25MHz，保证了系统的实时性。有良好的静态偏压稳定性和灵敏度，无需使用额外的温度补偿电路，最大限度地减少量化误差的非线性［10］。

加速度传感器模块接线图见图5。模块由稳压电源（MIC5205）供电；传感器SCL脚与SDA脚为I2C通信口，按标准接上拉电阻；与外部相连的IO口都串联1kΩ电阻做过流保护。

图5 加速度传感器模块接线图

2.3 人机交互模块设计

人机交互模块有液晶显示屏和4个功能按键。显示屏自带PCD8544控制器，实时显示当前震级、当前时间、电池剩余量。用字模提取软件制作了汉字及图形的单片机显示字库，图6为字模提取软件界面。液晶屏分辨率为48像素×84像素，采用英文字母为5像素×8像素、汉字为12像素×16像素就可清楚显示。程序处理时根据其显示控制器寻址原理倒序，8位为一列的编码形式输出；通信时使用PCD8544控制器指定的串行通信方式［11］。

图6 字模提取软件界面

2.4 声音报警模块设计

声音报警模块由单片机PWM输出口、NPN型三极管、蜂鸣器组成。根据音调越高对应地震烈度越强的编程思想，占空比由编写的程序根据对应震级范围查表得到。单片机IO口输出不同频率到三极管基极使蜂鸣器发出不同音调。同时，单片机记录震动时间并由时钟芯片显示。该时钟芯片自带三线接口与CPU同步通信，一次传送多字节时钟信号。

3 软件编程思想

单片机软件程序流程图如图7所示。

系统初始化：向时钟寄存器写入初始时间；对传感器设置工作方式；液晶屏清零并写入初始震级0.0和当前时间；报警模块定义程序运行中用到的各类数组。

系统主循环：三轴加速度模块完成数据转换后向单片机发送数据，程序利用采样数值计算对应震级并保存到数组中。当液晶显示器定时刷新中断溢出时程序跳入中断程序，屏幕显示震级、地震时间、电池剩余量等。

执行键盘扫描程序：无按键操作直接跳过剩下部分；按键按下才按照其功能处理，并进入新一轮循环。

3.1 震级转换程序设计

震级转换程序流程图如图8所示。

图7 单片机软件程序流程图

图8 震级转换程序流程图

单片机用普通IO口方式，用编程模拟I2C总线时序与加速度传感器。上电时配置传感器内部寄存器，设定为14位精度、2g量程；启动传感器内部的数据采集完成初始化。

震级转换程序等待加速度传感器完成一次数据采集后，通过程序转换成对应三轴加速度并矢量合成［12］，与前次加速度矢量比较，计算出地震产生的加速度；转换成地震烈度后，保存在程序中的地震烈度变量内。

3.2 键盘扫描及设定程序设计

键盘扫描及设定程序流程图见图9。

若无按键按下则返回主程序；若按键按下则查询按键编号及对应功能；若错误报警可按键停止；若按下时间设置键，可设置时间并写入时钟寄存器；若都不是则为误操作而返回主程序。

3.3 液晶显示和报警程序设计

液晶显示的作用是直接观察其他器件调试结果。对液晶屏定时全屏扫描保证信息实时更新，但占用系统资源多使系统性能下降；屏幕频繁闪烁使显示内容不易看清。为此，研发了“定时按需刷新”方法，即刷新前简单判断：如果下一次显示内容与原先一致就保留，而仅在主程序中循环刷新时间显示。液晶显示程序流程图如图10所示。

图9 键盘扫描及设定程序流程图

液晶显示器刷新程序写在定时器中断服务程序中。若定时器无溢出而产生中断则不刷新；反之，则程序跳到定时器中断服务程序内，将溢出清零后开启下一次定时。再检查本次要刷新震级与上次已显示震级是否一样，是则就不刷新；否则先检查个位数，由整数确定地震烈度并由报警程序语音报警。此后，在液晶显示器上刷新震级得出相应震级条形图；震级显示后再显示当前电池容量与刷新时间等。