本文不是要对地震学和地震仪的概念做介绍，而只会对该项目的所有组成部分进行描述。该设备无意取代地质研究所所使用的专业模型，也无法提供对地震事件的精确测量。它有助于在不提供距离或震级的情况下被动地确定地震事件。然后，设计人员要通过电视或在线咨询官方机构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，但会检测到1Hz至20Hz之间的任何高频地面振动。因此，它特别适用于附近的地震。
如前所述，我们要制造的设备是一个振动检测器。因此，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，可能会发生异常振动。这是一个失调的钟摆系统，并有一个加速度传感器连接到其下顶部。在系统振动的情况下，加速度计将向Arduino提供相关信息，而反过来，Arduino将会做出适当的决定。探测器将会向用户通告地震事件，并在监视器上显示与所发生振动有关的信息（并还可能将数据记录在大容量存储器中）。它们不会提供地震的距离或强度信息（见图1），而只会警告用户已发生的振动。
图1：了解如何预测和预防地震会很有用，这可能挽救数百万人的生命。
本项目所使用的模块是带有MPU6050芯片的GY-521，因为其功能强大且价格便宜（图2）。其中有以下几个器件：
该芯片必须以3.3V供电，但GY-521上的稳压器允许使用高达5V的电压。它的尺寸极小，只有21.2mm×16.4mm×3.3mm。输出可与Arduino I2C总线连接。沿轴的加速度是使用MEMS技术从移动质量块计算得出的。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。
图2：项目中所使用的GY-521加速度计。
接线图（见图3）非常简单，实际上，只需将两块板的四个端子使用相同数量的电缆连接起来即可。它仅提供了加速度计的一些触点，因为并不是所有来自它的信息都是必要的。具体的连接如下：
这个配置显然可以由用户在有特殊需要的情况下进行修改。例如，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。
使用适当的库进行I2C通信，与加速度计模块进行信息交换就比较简单。Arduino的列表非常清晰（参见图4）。它用于处理从位移传感器采集数据并将其发送到COM串行端口。许多指令被保留用于配置串行参数、I/O 端口和变量声明（“setup”函数）。“loop”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，检查传感器的动态响应就很有用。
图4：带有Sketch、串行监视器和串行绘图仪的 Arduino IDE。
除非实施了重大改变，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机的串行端口（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，另一种则是用Harbor（参见图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，而是将事件存储在文本文件中。这两个列表在此都作为附件提供。PC机的软件肯定比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，则需要做相应的修改。
图5：Freebasic和Harbor语言程序的屏幕截图。
钟摆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、噪声、雷声和响亮的音乐，也可能导致系统振荡，因此任何扰动都可能干扰测量。这对于该设备来说也是个很好的案例；因此，其实现应以良好的施工标准进行。任何建筑材料都是合适的。推荐使用金属，但木材也可以，只要别用在潮湿的房间。建议建造一扇门，以便打开进行维护操作。在不平坦的地面上，还应使用可调节支脚来平稳放置家具。系统的机械中心由振荡质量块表示。它的顶部由一根螺纹杆支撑，这显然改变了钟摆的自然振荡周期，但至少实现了一种机械制动。测量装置可以根据空间需求而变化。螺杆固定在柜体顶部。在其下部，固定了一些体育用的砝码，这构成了振荡质量块。在该项目中，使用了一些总重量为 4kg的铸铁盘。在钟摆的底部，在振荡质量块的下方，有一个加速度计，它转而通过细电线连接到Arduino板上。
图6：带有钟摆、加速度计和Arduino的盒子。
测试过程执行起来非常简单。只需要启动Arduino板，然后在PC机上启动该软件，系统就会立即启动并显示第一个测量值。在图表上，可以看到微小的振动，这是加速度计正常工作的标志。在发生地震冲击时，可以察觉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记录的轨迹，该程序还对文本文件提供了很好的支持。
图7：所记录的地震轨迹。
本文所设计的设备以原始方式实现了告知地面正在振动。因此，它应该安装在开阔的乡村，远离城市并安装在建筑物的底层——无论如何，都不要安装在上层，因为它总是会振动。这样，就可以避免城市事件的检测以及误报。最佳位置是地下室。然而，为了更精确地确定地震，在建造钟摆时有必要将其调谐至低频，从而还能够确定P波和L波的等级，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，则可以在软件级别上实现警报信息。
（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Earthquake Detector with Accelerometer，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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