一種簡易家用地震報警儀的設計

郝杰

（西安航空學院 科技處，陜西 西安 710077）

地震是地球上最大的自然災害之一，對人類的危害極大，如果能觀察到前震活動，并以它作為預報大震的手段，可以設法避免或減輕大震造成的傷亡和損失；大震發(fā)生之后，如果能監(jiān)視余震活動，可以防止災情的加重和擴大。掌握前震和余震的活動規(guī)律，對于研究地震預報，進行防震抗震都有重要的意義[1]。本文正是基于這種考慮，采用模塊化的設計思路設計了一種簡易的家用地震的預測和報警裝置，也使得本設計具有一定的移植性和可擴展性。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

前端信號處理部分我們對信號放大后使用高階低通濾波器進行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對地層衰減進行補償，從而還原正確的地震波信號。單片機MSP430F2002完成兩方面的功能[2-3]：控制ADS7818采樣時鐘進行模數(shù)轉換；處理輸入數(shù)據(jù)，控制LED顯示及蜂鳴器報警。

2 硬件電路設計

系統(tǒng)的硬件主要由前端放大模塊、低通濾波模塊、頻譜均衡濾波模塊[4]、精密峰值檢波模塊、A/D模塊及控制報警顯示模塊構成。首先對信號放大后使用高階低通濾波器進行濾波，再經(jīng)頻譜均衡濾波器對地層衰減進行補償，還原正確的地震波信號。單片機首先控制AD采樣時鐘進行模數(shù)轉換并對輸入數(shù)據(jù)進行處理，控制LED顯示及蜂鳴器報警。下面將逐一對各模塊進行介紹：

1）放大和濾波電路

在一般信號的放大應用中，通常只要通過差動電路即可滿足要求，然而基本差動放大電路精密度較差，且差動放大電路中變更放大增益時，必須調節(jié)兩個電阻，使整個信號放大精度變的復雜，而儀表放大電路則無此缺點。本系統(tǒng)采用具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點的AD620儀表放大器進行前端信號的放大處理。其增益計算方法為：

式中Au表示放大器的增益，R1為反饋電阻，在本電路中取固定值，RG為平衡電阻，選用可調電阻，這樣放大倍數(shù)Au只需調節(jié)電阻RG就可設定。

地震信號是低頻信號，它的有效頻率范圍大約在20～300 Hz之間[5]。本系統(tǒng)采用了6階低通濾波。該濾波電路帶內增益為12 dB，根據(jù)電路設計要求，調整電路中的電阻電容參數(shù)，將截止頻率設置為500 Hz。

2）頻譜均衡濾波電路：

均衡濾波器設計框圖如圖2。

圖2 均衡濾波器設計框圖Fig.2 Equalization filter design diagram

根據(jù)某地區(qū)的地震參數(shù)（Vo、β），建立視等厚吸收介質模型（單層厚度為 0.5秒，共 6層）[6－7]，其地層吸收衰減特性為：

式中：Dn（f）是第 1～n層的累積吸收衰減量，Vi是第 i層的層速度。

要對地層的吸收衰減進行補償必須在前置放大電路中設置與地層吸收衰減特性相反的濾波器——均衡濾波器。它的傳遞函數(shù)應為：

對其進行麥克勞林展開，為了使設計的頻譜均衡濾波器的振幅函數(shù)更加接近其展開式，相位譜盡量是一簡單函數(shù)或零相位譜，取麥克勞林展開式的偶數(shù)項得：

依據(jù)上式，本設計采用6階微分電路的頻譜均衡濾波器，其輸出函數(shù)為：

其中，D12=－為積分系數(shù)，式中為輸入電壓的有效值，根據(jù)地震波的幅值大小，計算得出積分系數(shù)D12、D34、D56的值分別為0.035 8、0.049 6、0.054 4。設計電路原理圖如圖4－a所示，圖中前6個運放采用RC微分電路實現(xiàn)頻譜均衡濾波功能，通過電阻R和電容C來得到積分系數(shù)D12、D34、D56，最后一級運放實現(xiàn)放大功能。參考實測數(shù)據(jù)，根據(jù)公式算出 c 值分別為 0.035 8、0.049 6、0.054 4；

圖3 頻譜均衡濾波幅頻響應Fig.3 Spectrum equilibrium filter amplitude frequency response

根據(jù)上述幅頻響應曲線，對不同頻率波按它們衰減的函數(shù)進行補償，約提升0.07 dB/Hz，對主頻200 Hz的補償為12 dB。

3）峰值檢波電路

由于本系統(tǒng)是記錄地震的最大震級，這要求必須迅速跟蹤，這一功能采用峰值檢波電路來完成。要求電路能時刻跟隨地震波的最大振幅。在電路中，當輸入大于輸出時，峰值檢波電路處于跟蹤狀態(tài)，當輸入小于輸出時處于保持狀態(tài)能夠達到要求的功能。

4）A/D轉換電路

由于地震信號的動態(tài)范圍很高，為了達到一定的分辨率，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉換位數(shù)不能過少。通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將連續(xù)的地震信號采樣后量化。本系統(tǒng)應用ADS7818高精度十二位串行輸出轉換器，ADS7818采樣速率CONV=1.54 kHz，SCLK=25 kHz，模擬量的動態(tài)范圍為 0～5 V。

5）單片機系統(tǒng)電路

單片機系統(tǒng)其軟件控制流程如圖4所示。

圖4 單片機控制流程Fig.4 MCUcontrol process

3 測試與數(shù)據(jù)分析

本設計分別對各單元模塊進行了調試，對峰值檢波輸出的數(shù)據(jù)進行測試，得到系統(tǒng)實際的幅頻響應曲線如圖5所示，與理論得到的曲線對比可以看出實際測量的數(shù)據(jù)與理論值比較接近，在誤差允許的范圍內，本設計可以達到預期的功能需求。

圖5 幅頻響應理論與實測性能曲線Fig.5 The amplitude frequency response of theory and measured performance curve

另外，表1對在典型頻率200 Hz情況下的輸入信號、檢波輸出、A/D轉換的輸出和最終的震級顯示進行了測試。

表1 （f=200 Hz）Tab.1 （f=200 Hz）

4 結 論

文中通過模擬電路結合TI公司單片機MSP430進行采樣控制的設計思路，完成了一種簡易家用地震報警儀的設計。通過對設計電路的性能仿真分析和200 Hz典型地震波數(shù)據(jù)的實際測試，對震動強度為10 mv以上的地震波信號，該裝置可以準確地報警并顯示地震的等級。

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