一种简易家用地震报警仪的设计

郝杰

（西安航空学院 科技处，陕西 西安 710077）

地震是地球上最大的自然灾害之一，对人类的危害极大，如果能观察到前震活动，并以它作为预报大震的手段，可以设法避免或减轻大震造成的伤亡和损失；大震发生之后，如果能监视余震活动，可以防止灾情的加重和扩大。掌握前震和余震的活动规律，对于研究地震预报，进行防震抗震都有重要的意义[1]。本文正是基于这种考虑，采用模块化的设计思路设计了一种简易的家用地震的预测和报警装置，也使得本设计具有一定的移植性和可扩展性。

1 系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of system

前端信号处理部分我们对信号放大后使用高阶低通滤波器进行滤波，再经频谱均衡滤波器对地层衰减进行补偿，从而还原正确的地震波信号。单片机MSP430F2002完成两方面的功能[2-3]：控制ADS7818采样时钟进行模数转换；处理输入数据，控制LED显示及蜂鸣器报警。

2 硬件电路设计

系统的硬件主要由前端放大模块、低通滤波模块、频谱均衡滤波模块[4]、精密峰值检波模块、A/D模块及控制报警显示模块构成。首先对信号放大后使用高阶低通滤波器进行滤波，再经频谱均衡滤波器对地层衰减进行补偿，还原正确的地震波信号。单片机首先控制AD采样时钟进行模数转换并对输入数据进行处理，控制LED显示及蜂鸣器报警。下面将逐一对各模块进行介绍：

1）放大和滤波电路

在一般信号的放大应用中，通常只要通过差动电路即可满足要求，然而基本差动放大电路精密度较差，且差动放大电路中变更放大增益时，必须调节两个电阻，使整个信号放大精度变的复杂，而仪表放大电路则无此缺点。本系统采用具有高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗等优点的AD620仪表放大器进行前端信号的放大处理。其增益计算方法为：

式中Au表示放大器的增益，R1为反馈电阻，在本电路中取固定值，RG为平衡电阻，选用可调电阻，这样放大倍数Au只需调节电阻RG就可设定。

地震信号是低频信号，它的有效频率范围大约在20～300 Hz之间[5]。本系统采用了6阶低通滤波。该滤波电路带内增益为12 dB，根据电路设计要求，调整电路中的电阻电容参数，将截止频率设置为500 Hz。

2）频谱均衡滤波电路：

均衡滤波器设计框图如图2。

图2 均衡滤波器设计框图Fig.2 Equalization filter design diagram

根据某地区的地震参数（Vo、β），建立视等厚吸收介质模型（单层厚度为 0.5秒，共 6层）[6－7]，其地层吸收衰减特性为：

式中：Dn（f）是第 1～n层的累积吸收衰减量，Vi是第 i层的层速度。

要对地层的吸收衰减进行补偿必须在前置放大电路中设置与地层吸收衰减特性相反的滤波器——均衡滤波器。它的传递函数应为：

对其进行麦克劳林展开，为了使设计的频谱均衡滤波器的振幅函数更加接近其展开式，相位谱尽量是一简单函数或零相位谱，取麦克劳林展开式的偶数项得：

依据上式，本设计采用6阶微分电路的频谱均衡滤波器，其输出函数为：

其中，D12=－为积分系数，式中为输入电压的有效值，根据地震波的幅值大小，计算得出积分系数D12、D34、D56的值分别为0.035 8、0.049 6、0.054 4。设计电路原理图如图4－a所示，图中前6个运放采用RC微分电路实现频谱均衡滤波功能，通过电阻R和电容C来得到积分系数D12、D34、D56，最后一级运放实现放大功能。参考实测数据，根据公式算出 c 值分别为 0.035 8、0.049 6、0.054 4；

图3 频谱均衡滤波幅频响应Fig.3 Spectrum equilibrium filter amplitude frequency response

根据上述幅频响应曲线，对不同频率波按它们衰减的函数进行补偿，约提升0.07 dB/Hz，对主频200 Hz的补偿为12 dB。

3）峰值检波电路

由于本系统是记录地震的最大震级，这要求必须迅速跟踪，这一功能采用峰值检波电路来完成。要求电路能时刻跟随地震波的最大振幅。在电路中，当输入大于输出时，峰值检波电路处于跟踪状态，当输入小于输出时处于保持状态能够达到要求的功能。

4）A/D转换电路

由于地震信号的动态范围很高，为了达到一定的分辨率，要求数据采集系统A/D转换位数不能过少。通常的数据采集系统将连续的地震信号采样后量化。本系统应用ADS7818高精度十二位串行输出转换器，ADS7818采样速率CONV=1.54 kHz，SCLK=25 kHz，模拟量的动态范围为 0～5 V。

5）单片机系统电路

单片机系统其软件控制流程如图4所示。

图4 单片机控制流程Fig.4 MCUcontrol process

3 测试与数据分析

本设计分别对各单元模块进行了调试，对峰值检波输出的数据进行测试，得到系统实际的幅频响应曲线如图5所示，与理论得到的曲线对比可以看出实际测量的数据与理论值比较接近，在误差允许的范围内，本设计可以达到预期的功能需求。

图5 幅频响应理论与实测性能曲线Fig.5 The amplitude frequency response of theory and measured performance curve

另外，表1对在典型频率200 Hz情况下的输入信号、检波输出、A/D转换的输出和最终的震级显示进行了测试。

表1 （f=200 Hz）Tab.1 （f=200 Hz）

4 结 论

文中通过模拟电路结合TI公司单片机MSP430进行采样控制的设计思路，完成了一种简易家用地震报警仪的设计。通过对设计电路的性能仿真分析和200 Hz典型地震波数据的实际测试，对震动强度为10 mv以上的地震波信号，该装置可以准确地报警并显示地震的等级。

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