基于AT89S52單片機的民用地震報警器的設計

李香宇，王 萌，周 旻，張朋新

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基于AT89S52單片機的民用地震報警器的設計

李香宇1，王 萌1，周 旻1，張朋新2

（1. 海軍航空工程學院，山東煙臺264001；2. 東北大學，沈陽110000）

為實現地震信息的報警及生命信息的探測，設計了地震檢測報警系統(tǒng)。根據地震波的特點，采用加速度傳感器檢測地震波，經單片機分析、處理后，判斷地震發(fā)生與否。如果檢測到地震發(fā)生，警報系統(tǒng)第一時間向人們發(fā)出地震警報和逃生語音提示，之后通過內置的生命探測紅外傳感器探測周圍的生命信息，當檢測到被困人員時，無線發(fā)射模塊向外界發(fā)送兩種不同頻率的電磁波，進行無線求救和語音求助，以求最大限度地減少地震災害造成的損失。

地震報警器 加速度傳感器 生命探測 紅外傳感器 語音芯片

0 引言

地震作為一種自然災害，對我們生產生活破壞極大，其災害的最大特點是突發(fā)性和毀滅性[1]。為最大限度減少地震對人類的傷害，為了最大限度避免唐山大地震、汶川大地震等人間災難再次發(fā)生，在當前地震預測技術尚不成熟之際，為此盡快研制一種技術成熟、符合實際、價格實惠和易于推廣的“地震檢測報警器”顯得尤為重要與迫切?；诖?，本文設計了“地震檢測報警系統(tǒng)”，利用單片機來控制對地震信息的采集、處理和及時報警的功能，從而來減少地震災害帶來的巨大損失。

系統(tǒng)總體設計

地震檢測報警器是通過檢測墻壁或地板的振動的加速度，速度和位移，來測量縱波和橫波的相關數據，并與標準的震烈度表進行比較，根據比較結果判斷是否需要報警以及報警的情況, 然后在需要時進行語音提示，使人們能夠對地震的到來有更多的準備時間, 使處在室內的人在強烈震動發(fā)生之前能夠及時采取適當的避險措施，尤其對于那些地震發(fā)生時仍處于睡眠狀態(tài)和大型娛樂場所的人，這很重要。

地震檢測報警系統(tǒng)是一種基于嵌入式設計的檢測報警系統(tǒng)，主要包括地震波檢測單元、單片機處理單元、紅外生命探測單元和報警單元四部分。本地震檢測警報系統(tǒng)的結構如圖1所示。

地震檢測報警系統(tǒng)除了以上的幾個核心模塊，還有備用電源和應急燈。備用電源可以避免由于停電而導致報警系統(tǒng)不能正常工作；應急燈在緊急情況下自動打開照明裝置，以方便迅速撤到安全區(qū)。

圖 1 地震檢測系統(tǒng)結構

硬件設計

根據其系統(tǒng)結構，硬件設計主要涵蓋地震波檢測，單片機處理，警報提示和紅外生命探測四個部分。

地震波檢測

基于加速度的傳感器，可以直接檢測地震烈度，即檢測P波[2]和S波，設計中通過加速度傳感器同時測量這兩種波的強度，提供模擬輸入信號，并交由單片機分析處理，這些數據都是后面模塊的基礎。

MMA7260QT作為微型電容式加速度傳感器采用了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并且提供4個量程可選，供用戶不同靈敏度應用的需要。同時帶有低通濾波并已做零g補償。芯片提供休眠模式，最低供電電流3 μA，滿足便攜產品低工耗的要求，此時建議選擇1.5 g工作模式。其地震波檢測電路如圖2所示。

對圖2中的引腳1與2的輸入搭配，可實現對加速度范圍和靈敏度的選擇，其組合邏輯如表1所示。

MMA7260QT的關鍵組成部分為加速度感應單元，主要利用半導體材料經過刻蝕加工成型的機械結構，基于可變電容原理。如圖3所示，當芯片受到外力產生加速度時，相當于兩個固定極板之間的可變極板位置發(fā)生了對應變化，從而將加速度變化以電容值變化的形式體現出來。此后再通過內部電路將電容轉化為電壓變化，經過濾波增益等相關處理后輸出。

圖2 地震波檢測電路

表1 加速度范圍和靈敏度選擇

圖3 加速度感應單元原理

單片機處理模塊

采用AT89S52單片機為整個報警器的主控模塊，它通過算法分析處理A/D轉換后的數字信號，并根據處理結果發(fā)出控制信號和操作顯示。AT89S52是Atmel 公司生產的低功耗、高性能CMOS8 位單片機，片內含有8 K 字節(jié)的EPROM和256 字節(jié)的RAM[3]。

AT89S52 具有以下標準功能：8 kbyteFlash，256 byteRAM，32 bitI/O接口線，看門狗定時器，2個數據指針，3 個16 bit定時器/計數器，1個6向級2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。它具有靈活性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。因此，該芯片在控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用[4]。

報警模塊

地震檢測報警系統(tǒng)能進行聲光報警，報警模塊主要包括應急指示燈和語音提示模塊。單片機通過控制開關來控制應急指示燈的亮滅。平時應急指示燈是滅的，只有當系統(tǒng)檢測到地震發(fā)生時，自動打開應急指示燈提供照明，對人們逃生將有很大幫助。

語音提示模塊采用語音芯片ISD4002，其工作電壓3 V，單片錄放時間4~8 min，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。該芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口（SPI）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。采樣頻率可為4.0，5.3，6.4和8.0 kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質有所下降，片內信息存于閃爍存貯器中，可在斷電情況下保存100年，反復錄音10萬次。

紅外生命探測

紅外生命探測功能是通過檢測周圍的生還者身體發(fā)出的長波，檢查周圍倒塌的房屋下是否有掩埋的人。若檢測到掩埋人體發(fā)出的波，則發(fā)出呼叫救援警報，向外界發(fā)出呼叫，這樣就能主動呼叫求助，而不是慢慢等外界來搜救，這樣不僅可以使處于危險中的生還者及時得以救助，還可以大大提高搜救工作的效率，為營救工作節(jié)省大量的人力物力。

本設計通過外接9916B無線接收板來接收紅外探測器檢測的信號，其特性為：工作電壓為5 V，工作頻率315 MHz，靜態(tài)工作電流為2.2 mA。外接天線為多芯或單芯普通導線，發(fā)射距離為50~120 m，以超再生方式接收。適用于數據傳送及信號控制、工業(yè)控制、防盜報警。

軟件設計

根據系統(tǒng)總體設計，將地震檢測警報系統(tǒng)的軟件設計主要分為三方面：地震波檢測和報警流程的設計，緊急逃生語音提示模塊的設計，紅外生命探測及發(fā)送SOS信號求救模塊的設計。

檢測報警流程

當檢測地震波時，先采用加速度傳感器檢測房屋上下振動的情況，根據地震局的相關資料，通過采集房屋質點上下振動的加速度來初次判斷地震的發(fā)生與否以及地震的等級。這里用加速度傳感器檢測地震時，如果檢測到房屋上下振動并且加速度值較大（如大于預設值1），則直接進入語音報警模塊；若較小（如小于預設值2），則不予以報警，并返回初始狀態(tài)繼續(xù)檢測； 否則，則需通過測量房屋左右晃動的幅度（即測量房屋的左右振動的加速度或測量房屋擺動的角度），若幅度值超過預設值3，則確認地震發(fā)生，給予語音報警模塊信號，否則返回初始狀態(tài)繼續(xù)檢測。地震波檢測警報整體流程如圖4所示。

在地震發(fā)生一定時間后，地震檢測報警器自動打開紅外生命探測模塊，通過檢測人體發(fā)射的紅外線，來判定是否有生還者，當檢測到信號時，則打開求助信號發(fā)生單元，向外界呼叫求助。

語音提示設計

事先在語音芯片ISD4002內植入一定的語音提示壓縮碼，然后將語音芯片嵌入到核心處理器中。當地震發(fā)生時，根據傳感器輸入的信號，來調用語音模塊，從而達到向人們發(fā)出預警信息和逃離方案指示信息。

涉及到的主要函數：

void spi_send ( unsigned char isdx ) //ISD4002 SPI串行發(fā)送子程序，8位數據

void isd_stop (void) //發(fā)送STOP指令

void isd_play (void ) //發(fā)送PLAY指令

void isd_rec (void ) //發(fā)送REC指令

void isd_setplay ( unsigned char adl, unsigned char adh ) //發(fā)送SETPLAY指令

void isd_setrec ( unsigned char adl, unsigned char adh ) //發(fā)送SETREC指令

unsigned char chk_isdovf ( void ) //檢查芯片是否溢出（讀取并返回OVF值）

系統(tǒng)檢測到地震發(fā)生時，先發(fā)出高分貝的警報聲，然后語音提示通知人們發(fā)生地震的情況，以便及時掌握地震的情況，采取合理的應對措施。尤其當地震發(fā)生在夜間時，通過高響度的報警和語音提示音，能夠及時喚醒沉睡的人們，緊急采取逃生避險措施。

紅外生命探測與SOS信號求助模塊設計

紅外生命探測器周期性的檢測建筑物內是否有人，當檢測到人體發(fā)出的紅外線時，發(fā)射能被9916B無線接收板接收的信號。無線接收板接收到檢測信號時，把其存儲在單片機的存儲器中，這些存儲著的信號，隨著紅外探測器被周期性的修改。

當檢測到地震發(fā)生時，單片機控制報警器報警的同時，分析存儲器中的數據，若發(fā)現存有信號，則說明還有人未逃離現場，馬上發(fā)出求救信號。生命紅外探測及無線SOS發(fā)射信號求救流程如圖5所示。

4 結束語

基于現在的科學技術，人類還無法準確預測地震的發(fā)生，但我們可以在地震發(fā)生時，第一時間提供人們關于地震信息，盡可能早地減少人員傷亡。在此，我們設計了地震檢測報警系統(tǒng)，雖然由于技術和水平等方面的原因，產品可能還存在很多不足之處，但希望能借此吸引更多人對地震報警進行研究，最大可能性地減小地震帶來的人員傷亡和財產損失。

圖5 紅外生命探測與無線SOS信號求助流程

[1] 卓鄭安, 周順, 阮海宇. 基于單片機的普及型地震報警器設計與應用. 實驗技術與管理, 2014,31(4):.84-92.

[2] 夏丹丹, 吳永忠, 王劉非, 潘學濤. 基于P波加速度信號檢測的地震預警器硬件實現. 2011通信安全學術會議論文集: 277-280.

[3] 黃小波. 基于AT89S52單片機與DS18B20的溫度監(jiān)控系統(tǒng). 微計算機信息, 2008, 24(10): 119-120.

[4] 趙德生, 李德倉. 基于AT89S52的數字式電子鐘系統(tǒng)的設計與實現. 計算機應用, 2010, 19(12): 43-46.

Design of Civil Earthquake Alarm Based on AT89S52 Microcontroller

Li Xiangyu1, Wang Meng1, Zhou Min1, Zhang Pengxin2

(1. Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, Shandong, China; 2. Northeastern University, Shenyang 110000, China)

In order to realize the alarm of seismic information and detection life information, an earthquake alarm is designed. According to seismic wave characteristics, the acceleration sensor is used to detect seismic waves and determine whether the earthquake occurred. If it detects an earthquake, warning system would alarm and give a voice to escape at the first time. The built-in infrared sensor would detect life information around. When trapped personnel are detected, two different kinds of electromagnetic waves are sent to the outside world by wireless transmitter module different for wireless and voice help to minimize losses caused by the earthquake.

earthquake alarm; acceleration sensor; life detection; infrared sensors; voice chip

TP216

A

1003-4862（2016）04-0033-04

2015-12-11

李香宇（1982-），女，講師。研究方向：檢測技術、自動控制。