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。
振動檢測儀簡介
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。
所使用的加速度計
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：
- 三軸加速度計
- 三軸陀螺儀
- 溫度傳感器
- 內部時鐘振蕩器
- 數字運動處理器
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
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：
- Arduino 5V至GY-521 Vcc
- Arduino GND至GY-521 GND
- Arduino A5至GY-521 SCL
- Arduino A4至GY-521 SDA
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。
Sketch（程序）
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。
Freebasic和Harbor中的LOG程序
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。
鐘擺和柜子
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。
運行中的系統
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。
總結
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。
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