本文不是要對地震學和地震儀的概念做介紹,而只會對該項目的所有組成部分進行描述。該設備無意取代地質研究所所使用的專業模型,也無法提供對地震事件的精確測量。它有助于在不提供距離或震級的情況下被動地確定地震事件。然后,設計人員要通過電視或在線咨詢官方機構來發現地震的震中位置。我們制造的這種設備不會產生傳統的地震圖,但會檢測到1Hz至20Hz之間的任何高頻地面振動。因此,它特別適用于附近的地震。
如前所述,我們要制造的設備是一個振動檢測器。因此,它應該放置在一樓的室內。由于建筑物的振動及其彈性,在建筑物中的位置,尤其是在較高樓層,可能會發生異常振動。這是一個失調的鐘擺系統,并有一個加速度傳感器連接到其下頂部。在系統振動的情況下,加速度計將向Arduino提供相關信息,而反過來,Arduino將會做出適當的決定。探測器將會向用戶通告地震事件,并在監視器上顯示與所發生振動有關的信息(并還可能將數據記錄在大容量存儲器中)。它們不會提供地震的距離或強度信息(見圖1),而只會警告用戶已發生的振動。
圖1:了解如何預測和預防地震會很有用,這可能挽救數百萬人的生命。
本項目所使用的模塊是帶有MPU6050芯片的GY-521,因為其功能強大且價格便宜(圖2)。其中有以下幾個器件:
該芯片必須以3.3V供電,但GY-521上的穩壓器允許使用高達5V的電壓。它的尺寸極小,只有21.2mm×16.4mm×3.3mm。輸出可與Arduino I2C總線連接。沿軸的加速度是使用MEMS技術從移動質量塊計算得出的。輸出的幅度與加速度成正比。在正常位置,x軸上的值為0g,y軸上為0g,z軸上為+1g。
圖2:項目中所使用的GY-521加速度計。
接線圖(見圖3)非常簡單,實際上,只需將兩塊板的四個端子使用相同數量的電纜連接起來即可。它僅提供了加速度計的一些觸點,因為并不是所有來自它的信息都是必要的。具體的連接如下:
這個配置顯然可以由用戶在有特殊需要的情況下進行修改。例如,可以添加警報、燈光執行器等。
圖3:地震探測器的簡單接線圖。
使用適當的庫進行I2C通信,與加速度計模塊進行信息交換就比較簡單。Arduino的列表非常清晰(參見圖4)。它用于處理從位移傳感器采集數據并將其發送到COM串行端口。許多指令被保留用于配置串行參數、I/O 端口和變量聲明(“setup”函數)。“loop”函數包含實際的操作部分。在編碼結束時,使用Arduino IDE中的串行監視器和串行繪圖儀測試電路,檢查傳感器的動態響應就很有用。
圖4:帶有Sketch、串行監視器和串行繪圖儀的 Arduino IDE。
除非實施了重大改變,否則Arduino程序無法將數據存儲在大容量存儲器中。為了保存數據,可以使用外部程序通過PC機的串行端口(COM)讀取Arduino信息。在本文中,我們推薦了兩種不同類型的軟件,一種是用Freebasic語言編寫的,另一種則是用Harbor(參見圖5)。第一個是為了在視頻上顯示振動缸;第二個沒有圖形窗口,而是將事件存儲在文本文件中。這兩個列表在此都作為附件提供。PC機的軟件肯定比Arduino復雜。在程序的開頭,有一些變量的聲明和初始化。然后通過相關參數與COM口建立串行通信。如果連接Arduino的串口不同,則需要做相應的修改。
圖5:Freebasic和Harbor語言程序的屏幕截圖。
鐘擺必須放置在家具內部,遠離任何物理、電磁和大氣干擾源(參見圖6)。事實上,即使是輕微的風、振動、電磁波、噪聲、雷聲和響亮的音樂,也可能導致系統振蕩,因此任何擾動都可能干擾測量。這對于該設備來說也是個很好的案例;因此,其實現應以良好的施工標準進行。任何建筑材料都是合適的。推薦使用金屬,但木材也可以,只要別用在潮濕的房間。建議建造一扇門,以便打開進行維護操作。在不平坦的地面上,還應使用可調節支腳來平穩放置家具。系統的機械中心由振蕩質量塊表示。它的頂部由一根螺紋桿支撐,這顯然改變了鐘擺的自然振蕩周期,但至少實現了一種機械制動。測量裝置可以根據空間需求而變化。螺桿固定在柜體頂部。在其下部,固定了一些體育用的砝碼,這構成了振蕩質量塊。在該項目中,使用了一些總重量為 4kg的鑄鐵盤。在鐘擺的底部,在振蕩質量塊的下方,有一個加速度計,它轉而通過細電線連接到Arduino板上。
圖6:帶有鐘擺、加速度計和Arduino的盒子。
測試過程執行起來非常簡單。只需要啟動Arduino板,然后在PC機上啟動該軟件,系統就會立即啟動并顯示第一個測量值。在圖表上,可以看到微小的振動,這是加速度計正常工作的標志。在發生地震沖擊時,可以察覺到圖表中的強烈變化,如圖7所示。如有必要,可以通過Ocenaudio聲音處理程序分析軟件記錄的軌跡,該程序還對文本文件提供了很好的支持。
圖7:所記錄的地震軌跡。
本文所設計的設備以原始方式實現了告知地面正在振動。因此,它應該安裝在開闊的鄉村,遠離城市并安裝在建筑物的底層——無論如何,都不要安裝在上層,因為它總是會振動。這樣,就可以避免城市事件的檢測以及誤報。最佳位置是地下室。然而,為了更精確地確定地震,在建造鐘擺時有必要將其調諧至低頻,從而還能夠確定P波和L波的等級,以便計算震中的距離。隨著設備的創建,如果某些振動超過某個設定值,則可以在軟件級別上實現警報信息。
(原文刊登于EDN姊妹網站EEWeb,參考鏈接:Earthquake Detector with Accelerometer,由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子技術設計》2022年6月刊雜志文章,版權所有,禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。