基于單片機的地震振動報警裝置的設計

耿言勇

摘 要：地震的頻繁發生給人類生命財產造成巨大的危害，但是目前很難準確預測。本文設計了一種基于AT89S51單片機控制的地震報警裝置，能在地震剛剛發生瞬間報警并且提供應急照明。該裝置體積小，結構簡單，可靠性高，響應時間在0.1ms，可以在地震時為夜間熟睡或者反應速度慢的人及時提醒，贏得逃生時間。

關鍵詞：地震；AT89S51；報警器

1 引言

大地震發生的時候，或在白天，或在夜里。之前，往往有一次小的晃動，隨后大的晃動到來，帶來巨大的破壞力。如果能在大地這次小的晃動被人們覺察到，及時躲避，就可以避免大的人員傷亡。本文設計了一種基于單片機的地震警報器，能夠在地震剛開始到來的一瞬間發出警報，提示人們趕緊逃離危險的地方。

2 裝置架構介紹

該裝置主要由振動傳感器、控制器、蜂鳴器、LED燈等組成，裝置正常運行時，通過振動傳感器測得振動信息，并把測得量傳送到控制器，控制器根據預先設定的振動幅度閥值進行比較，當振動幅度超過閥值時，控制器啟動警報。總體構架如圖1所示。

3 裝置原理分析

振動感器把采集到的實時信號經過濾波等處理后傳送單片機，經由單片機處理后，發出控制信號控制蜂鳴器是否打開，對是否報警進行控制。看門狗的設置主要是防止裝置在發生死機等情況時，進行自動復位。整個裝置的電路分為以下幾個部分：光電電路、前置放大電路、濾波電路、A/D模數轉換電路和報警控制電路組成。如圖2所示。

3.1 單片機

本設計的控制芯片采用的是AT89S51單片機，是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，Atmel公司生產的AT89S51單片機與已停產的AT89C51相比，改進了工藝，功能提升了許多。其提高了工作頻率，增加了一個看門狗中斷，工作電壓更寬，有兩組數據指針寄存器等等。另外AT89S51不但支持并行編程還支持ISP在線編程，AT89S51只需要5V電壓即可刻錄與擦除程序存儲器，而89C51則需要分別以5V及12V電壓刻錄與擦除程序存儲器。

3.2 振動傳感器

裝置采用進口的HS109T型號ICP壓電式三軸加速度傳感器，可以對xyz三個軸向同時測量，HS109T壓電型三軸加速度計可以長期用于惡劣的環境，外形低矮，體積小，靈敏度為100mV/g標準量程為80g。頻響范圍0.8Hz—10KHz能在-55到140℃之間正常工作。HS109T輸出的是電壓模擬量，需要處理轉化為數字量傳送給單片機I/O口P2.0。

3.3 濾波電路

對于地震而言，大地會吸收高頻地震波，保留低頻的地震波，所以傳感器接收到的有用信號的頻率處于極低頻到特低頻之間。該裝置采用了有源濾波和無源濾波電路相結合的方法進行濾波，截止頻率為50Hz。雖然由運放構成的有源濾波器比無源濾波器的濾波效果好，但運放的零漂、偏置電壓、失調電流等造成的誤差無法避免。因此用無源低通濾波電路作為第一級濾波，避免了幅值較大的高頻信號對后端運放的破壞。電路如圖3所示。

3.4 AD轉換電路

本裝置采用ADC0804作為模擬—數字轉換器。該芯片屬于連續漸進式的A/D轉換器，具有轉換速度快（100us）、分辨率高（8位），轉換誤差小（±1LSB）的特點。

3.5 報警控制電路

蜂鳴器的控制是利用單片機的P1.1輸出口控制的。由于輸出電流不足于驅動晶閘管的G端，所以利用晶體管進行電流。單片機沒有接受到振動信號的時候，P1.1輸出高電平到PNP三極管的基極，PNP三極管處于截止狀態，當單片機接受到振動信號，P1.1輸出低電平信號，使三極管導通。這時晶閘管的G端接受到正向電壓信號，瞬間導通，蜂鳴器Bell和LED工作。蜂鳴器一旦報警，將不受G端電壓的控制。如果要停止報警，則需在沒有震動信號的條件下，手動按下常閉式按鈕開關即可。電路如圖4所示。

3.6 電源設計

電源設計中的AC/DC轉換電路模塊把交流電轉化為9V直流電給電路供電，考慮到緊急情況下，有可能會斷電，電源采用交流電輸入和直流電池兩種供電方式。當交流電斷開的時候，直流電源開始放電。保證了該裝置不會因為地震災害時用電網絡毀壞而停止工作。

3.7 裝置程序的編程

程序編程主要是對各個芯片的初始化編程和整個主程序的編程。芯片的初始化主要是AT89S51和ADC0804的初始化。然后判斷振動信號有沒有超過預設閥值，有則報警，無則繼續回到判斷。主程序采用C語言編寫。

4 結束語

地球上每天都地震發生，其中約5萬次人們可以感覺到；可能造成破壞的約有1000次。地震持續的時間短暫，大約只有幾十秒鐘，甚至更短，造成的危害也是十分巨大的。但是地震災難監測的信息受許多因素的影響，很難準備預測。本文所設計的地震振動報警器可以有效的檢測到地震波剛剛到達地面，引起的微小振動，及時報警，讓人們有時間做好逃生的準備。該裝置結構簡單、可靠性高，適合在家庭及工廠等場所使用，可以在一定程度上提高大家對地震的防范意識，降低地震災害中人員的傷亡率。

[參考文獻]

[1]李宜興，王富榮.基于產品設計的單片機教學[J].科技信息.2014（15）.

[2]伍剛，張小平.有源低通二階濾波器的設計[J].兵工自動化.2005（04）.

[3]劉海洲.單片機在煙霧報警系統中的應用[J].電腦知識與技術.2010（24）.

[4]陳正軍，鄔華，王謝瑋.基于單片機的電子鬧鐘研究與設計[J].科技信息.2010（14）.