带加速度计的地震探测器

本文不是对地震学和地震仪概念的介绍；它只会描述项目的所有部分。该设备无意取代地质研究所使用的专业模型，也不提供地震事件的精确测量。它有助于在不提供距离或幅度的情况下被动确定地震事件。然后，设计师将通过在线或电视上咨询官方当局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 1 Hz 至 20 Hz 之间的任何高频地面振动。因此，它特别适用于附近的地震。

振动检测仪简介

如前所述，我们正在制造的设备是振动检测器。出于这个原因，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，可能会导致异常振动。这是一个失调的钟摆系统，加速度传感器连接到下顶部。在系统振动的情况下，加速度计将向 Arduino 提供相关信息，从而做出适当的决定。探测器通知用户地震事件，在监视器上显示与发生的振动相关的信息（并且可能还将数据记录在大容量存储器中）。它们不提供地震的距离或强度但仅警告用户已发生振动。

使用的加速度计

使用的模块是带有MPU6050芯片的GY-521，功能强大且价格便宜（图2）。在里面，有几个设备：

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

芯片必须以 3.3 V 供电，但 GY-521 上的稳压器允许使用高达 5 V 的电压。它的尺寸非常小：只有 21.2 × 16.4 × 3.3 mm。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。

接线图

接线图（见图3）非常简单，实际只需将两块板子的四个端子连接起来，使用等量的线缆即可。它仅提供加速度计的一些触点，因为并非所有来自它的信息都是必需的。具体来说，连接如下：

• Arduino：5V — GY-521：Vcc

• Arduino：GND — GY-521：GND

• Arduino：A5 — GY-521：SCL

• Arduino：A4 — GY-521：SDA

这种配置显然可以由用户在特殊需要的情况下进行修改。例如，您可以添加警报、灯光执行器等。

图3：地震探测器的简单接线图

草图

使用适当的库进行 I2C 通信，与加速度计模块交换信息相对简单。Arduino 的清单非常清晰（参见图 4）。它处理从位移传感器获取数据并将其发送到 COM 串行端口。许多指令保留用于配置串行参数、I/O 端口和变量声明（“setup”函数）。“循环”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很有用，检查传感器的动态响应。

图 4：带有草图、串行监视器和串行绘图仪的 Arduino IDE

Freebasic和Harbor中的LOG程序

除非实施重大更改，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 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，另一种是用 Harbor 语言编写的（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，但将事件存储在文本文件中。这两个列表都在此处作为附件提供。PC 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，需要做相应的修改。

图 5：Freebasic 和 Harbor 语言程序的屏幕截图

摆锤和柜子

摆锤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、噪音、雷声和响亮的音乐，也可能导致系统振荡，任何扰动都可能干扰测量。这也可以作为设备的一个很好的案例；因此，它的实现应以良好的施工标准进行。任何建筑材料都是合适的。建议使用金属，但木材也可以，只要不用于潮湿的房间。我们建议建造一扇门，以便进行维护操作。即使在不平坦的地板上，也应使用可调节支脚来定位家具。系统的机械核心由摆动质量表示。它由一根螺纹杆支撑在顶部，这显然改变了摆的自然振荡周期，但至少实现了一种机械制动。测量值可以根据您的空间需求而变化。螺杆固定在柜体顶部。在其下部，固定了一些体操砝码，构成了摆锤。在该项目中，使用了一些铸铁盘，总重量为 4 公斤。在摆锤的底部，在摆动质量的下方，有一个加速度计，它又通过细电线连接到 Arduino 板上。一些铸铁盘的总重量为 4 公斤。在摆锤的底部，在摆动质量的下方，有一个加速度计，它又通过细电线连接到 Arduino 板上。一些铸铁盘的总重量为 4 公斤。在摆锤的底部，在摆动质量的下方，有一个加速度计，它又通过细电线连接到 Arduino 板上。

图 6：带有钟摆、加速度计和 Arduino 的盒子

运行中的系统

测试过程执行起来非常简单。您需要启动 Arduino 板，然后在您的个人计算机上启动该软件。系统将立即启动并显示第一个测量值。在图表上，您可以看到微小的振动，这是加速度计正常工作的标志。在发生地震冲击的情况下，可以注意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录制的曲目，该程序也为文本文件提供了良好的支持。

图 7：记录的地震痕迹

结论

我们创建的设备是通知地面正在振动的原始手段。出于这个原因，它应该安装在开阔的乡村，远离城市和底层，无论如何，不要安装在建筑物的上层，因为它总是在摆动。这样，就可以避免城市事件和误报的检测。最佳位置是地下室。然而，为了更精确地确定地震，有必要制造调谐到低频的钟摆，它还能够确定 P 波和 L 波的幅度，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，则可以在软件级别执行警报消息。

审核编辑：郭婷