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采用加速度计的地震探测器

2022-06-10 11:42:24 Giovanni Di Maria 阅读:
该设备无意取代地质研究所所使用的专业模型,也无法提供对地震事件的精确测量。它有助于在不提供距离或震级的情况下被动地确定地震事件。

本文不是要对地震学和地震仪的概念做介绍,而只会对该项目的所有组成部分进行描述。该设备无意取代地质研究所所使用的专业模型,也无法提供对地震事件的精确测量。它有助于在不提供距离或震级的情况下被动地确定地震事件。然后,设计人员要通过电视或在线咨询官方机构来发现地震的震中位置。我们制造的这种设备不会产生传统的地震图,但会检测到1Hz至20Hz之间的任何高频地面振动。因此,它特别适用于附近的地震。wXHednc

振动检测仪简介

如前所述,我们要制造的设备是一个振动检测器。因此,它应该放置在一楼的室内。由于建筑物的振动及其弹性,在建筑物中的位置,尤其是在较高楼层,可能会发生异常振动。这是一个失调的钟摆系统,并有一个加速度传感器连接到其下顶部。在系统振动的情况下,加速度计将向Arduino提供相关信息,而反过来,Arduino将会做出适当的决定。探测器将会向用户通告地震事件,并在监视器上显示与所发生振动有关的信息(并还可能将数据记录在大容量存储器中)。它们不会提供地震的距离或强度信息(见图1),而只会警告用户已发生的振动。wXHednc

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图1:了解如何预测和预防地震会很有用,这可能挽救数百万人的生命。wXHednc

所使用的加速度计

本项目所使用的模块是带有MPU6050芯片的GY-521,因为其功能强大且价格便宜(图2)。其中有以下几个器件:wXHednc

  • 三轴加速度计
  • 三轴陀螺仪
  • 温度传感器
  • 内部时钟振荡器
  • 数字运动处理器

该芯片必须以3.3V供电,但GY-521上的稳压器允许使用高达5V的电压。它的尺寸极小,只有21.2mm×16.4mm×3.3mm。输出可与Arduino I2C总线连接。沿轴的加速度是使用MEMS技术从移动质量块计算得出的。输出的幅度与加速度成正比。在正常位置,x轴上的值为0g,y轴上为0g,z轴上为+1g。wXHednc

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图2:项目中所使用的GY-521加速度计。wXHednc

接线图

接线图(见图3)非常简单,实际上,只需将两块板的四个端子使用相同数量的电缆连接起来即可。它仅提供了加速度计的一些触点,因为并不是所有来自它的信息都是必要的。具体的连接如下:wXHednc

  • Arduino 5V至GY-521 Vcc
  • Arduino GND至GY-521 GND
  • Arduino A5至GY-521 SCL
  • Arduino A4至GY-521 SDA

这个配置显然可以由用户在有特殊需要的情况下进行修改。例如,可以添加警报、灯光执行器等。wXHednc

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图3:地震探测器的简单接线图。wXHednc

Sketch(程序)

使用适当的库进行I2C通信,与加速度计模块进行信息交换就比较简单。Arduino的列表非常清晰(参见图4)。它用于处理从位移传感器采集数据并将其发送到COM串行端口。许多指令被保留用于配置串行参数、I/O 端口和变量声明(“setup”函数)。“loop”函数包含实际的操作部分。在编码结束时,使用Arduino IDE中的串行监视器和串行绘图仪测试电路,检查传感器的动态响应就很有用。wXHednc

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图4:带有Sketch、串行监视器和串行绘图仪的 Arduino IDE。wXHednc

FreebasicHarbor中的LOG程序

除非实施了重大改变,否则Arduino程序无法将数据存储在大容量存储器中。为了保存数据,可以使用外部程序通过PC机的串行端口(COM)读取Arduino信息。在本文中,我们推荐了两种不同类型的软件,一种是用Freebasic语言编写的,另一种则是用Harbor(参见图5)。第一个是为了在视频上显示振动缸;第二个没有图形窗口,而是将事件存储在文本文件中。这两个列表在此都作为附件提供。PC机的软件肯定比Arduino复杂。在程序的开头,有一些变量的声明和初始化。然后通过相关参数与COM口建立串行通信。如果连接Arduino的串口不同,则需要做相应的修改。wXHednc

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图5:Freebasic和Harbor语言程序的屏幕截图。wXHednc

钟摆和柜子

钟摆必须放置在家具内部,远离任何物理、电磁和大气干扰源(参见图6)。事实上,即使是轻微的风、振动、电磁波、噪声、雷声和响亮的音乐,也可能导致系统振荡,因此任何扰动都可能干扰测量。这对于该设备来说也是个很好的案例;因此,其实现应以良好的施工标准进行。任何建筑材料都是合适的。推荐使用金属,但木材也可以,只要别用在潮湿的房间。建议建造一扇门,以便打开进行维护操作。在不平坦的地面上,还应使用可调节支脚来平稳放置家具。系统的机械中心由振荡质量块表示。它的顶部由一根螺纹杆支撑,这显然改变了钟摆的自然振荡周期,但至少实现了一种机械制动。测量装置可以根据空间需求而变化。螺杆固定在柜体顶部。在其下部,固定了一些体育用的砝码,这构成了振荡质量块。在该项目中,使用了一些总重量为 4kg的铸铁盘。在钟摆的底部,在振荡质量块的下方,有一个加速度计,它转而通过细电线连接到Arduino板上。wXHednc

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图6:带有钟摆、加速度计和Arduino的盒子。wXHednc

运行中的系统

测试过程执行起来非常简单。只需要启动Arduino板,然后在PC机上启动该软件,系统就会立即启动并显示第一个测量值。在图表上,可以看到微小的振动,这是加速度计正常工作的标志。在发生地震冲击时,可以察觉到图表中的强烈变化,如图7所示。如有必要,可以通过Ocenaudio声音处理程序分析软件记录的轨迹,该程序还对文本文件提供了很好的支持。wXHednc

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图7:所记录的地震轨迹。wXHednc

总结

本文所设计的设备以原始方式实现了告知地面正在振动。因此,它应该安装在开阔的乡村,远离城市并安装在建筑物的底层——无论如何,都不要安装在上层,因为它总是会振动。这样,就可以避免城市事件的检测以及误报。最佳位置是地下室。然而,为了更精确地确定地震,在建造钟摆时有必要将其调谐至低频,从而还能够确定P波和L波的等级,以便计算震中的距离。随着设备的创建,如果某些振动超过某个设定值,则可以在软件级别上实现警报信息。wXHednc

下载代码wXHednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Earthquake Detector with Accelerometer,由Franklin Zhao编译。)wXHednc

本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里wXHednc

责编:Franklin
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