本文不是對(duì)地震學(xué)和地震儀概念的介紹；它只會(huì)描述項(xiàng)目的所有部分。該設(shè)備無(wú)意取代地質(zhì)研究所使用的專業(yè)模型，也不提供地震事件的精確測(cè)量。它有助于在不提供距離或幅度的情況下被動(dòng)確定地震事件。然后，設(shè)計(jì)師將通過(guò)在線或電視上咨詢官方當(dāng)局來(lái)發(fā)現(xiàn)地震的震中位置。我們制造的這種設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)的地震圖，但會(huì)檢測(cè) 1 Hz 至 20 Hz 之間的任何高頻地面振動(dòng)。因此，它特別適用于附近的地震。

振動(dòng)檢測(cè)儀簡(jiǎn)介

如前所述，我們正在制造的設(shè)備是振動(dòng)檢測(cè)器。出于這個(gè)原因，它應(yīng)該放置在一樓的室內(nèi)。由于建筑物的振動(dòng)及其彈性，在建筑物中的位置，尤其是在較高樓層，可能會(huì)導(dǎo)致異常振動(dòng)。這是一個(gè)失調(diào)的鐘擺系統(tǒng)，加速度傳感器連接到下頂部。在系統(tǒng)振動(dòng)的情況下，加速度計(jì)將向 Arduino 提供相關(guān)信息，從而做出適當(dāng)?shù)臎Q定。探測(cè)器通知用戶地震事件，在監(jiān)視器上顯示與發(fā)生的振動(dòng)相關(guān)的信息（并且可能還將數(shù)據(jù)記錄在大容量存儲(chǔ)器中）。它們不提供地震的距離或強(qiáng)度但僅警告用戶已發(fā)生振動(dòng)。

使用的加速度計(jì)

使用的模塊是帶有MPU6050芯片的GY-521，功能強(qiáng)大且價(jià)格便宜（圖2）。在里面，有幾個(gè)設(shè)備：

三軸加速度計(jì)

三軸陀螺儀

溫度傳感器

內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器

數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器

芯片必須以 3.3 V 供電，但 GY-521 上的穩(wěn)壓器允許使用高達(dá) 5 V 的電壓。它的尺寸非常小：只有 21.2 × 16.4 × 3.3 mm。輸出可與 Arduino I2C 總線連接。沿軸的加速度是使用 MEMS 技術(shù)從移動(dòng)質(zhì)量計(jì)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。

接線圖

接線圖（見(jiàn)圖3）非常簡(jiǎn)單，實(shí)際只需將兩塊板子的四個(gè)端子連接起來(lái)，使用等量的線纜即可。它僅提供加速度計(jì)的一些觸點(diǎn)，因?yàn)椴⒎撬衼?lái)自它的信息都是必需的。具體來(lái)說(shuō)，連接如下：

? Arduino：5V — GY-521：Vcc

? Arduino：GND — GY-521：GND

? Arduino：A5 — GY-521：SCL

? Arduino：A4 — GY-521：SDA

這種配置顯然可以由用戶在特殊需要的情況下進(jìn)行修改。例如，您可以添加警報(bào)、燈光執(zhí)行器等。

圖3：地震探測(cè)器的簡(jiǎn)單接線圖

草圖

使用適當(dāng)?shù)膸?kù)進(jìn)行 I2C 通信，與加速度計(jì)模塊交換信息相對(duì)簡(jiǎn)單。Arduino 的清單非常清晰（參見(jiàn)圖 4）。它處理從位移傳感器獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到 COM 串行端口。許多指令保留用于配置串行參數(shù)、I/O 端口和變量聲明（“setup”函數(shù)）。“循環(huán)”函數(shù)包含實(shí)際的操作部分。在編碼結(jié)束時(shí)，使用 Arduino IDE 中的串行監(jiān)視器和串行繪圖儀測(cè)試電路很有用，檢查傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖 4：帶有草圖、串行監(jiān)視器和串行繪圖儀的 Arduino IDE

Freebasic和Harbor中的LOG程序

除非實(shí)施重大更改，否則 Arduino 程序無(wú)法將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量存儲(chǔ)器中。為了保存數(shù)據(jù)，可以使用外部程序通過(guò) PC 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(yǔ)言編寫(xiě)的，另一種是用 Harbor 語(yǔ)言編寫(xiě)的（見(jiàn)圖 5）。第一個(gè)是為了在視頻上顯示振動(dòng)缸；第二個(gè)沒(méi)有圖形窗口，但將事件存儲(chǔ)在文本文件中。這兩個(gè)列表都在此處作為附件提供。PC 軟件肯定比 Arduino 復(fù)雜。在程序的開(kāi)頭，有一些變量的聲明和初始化。然后通過(guò)相關(guān)參數(shù)與 COM 口建立串行通信。如果連接Arduino的串口不同，需要做相應(yīng)的修改。

圖 5：Freebasic 和 Harbor 語(yǔ)言程序的屏幕截圖

擺錘和柜子

擺錘必須放置在家具內(nèi)部，遠(yuǎn)離任何物理、電磁和大氣干擾源（參見(jiàn)圖 6）。事實(shí)上，即使是輕微的風(fēng)、振動(dòng)、電磁波、噪音、雷聲和響亮的音樂(lè)，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，任何擾動(dòng)都可能干擾測(cè)量。這也可以作為設(shè)備的一個(gè)很好的案例；因此，它的實(shí)現(xiàn)應(yīng)以良好的施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。任何建筑材料都是合適的。建議使用金屬，但木材也可以，只要不用于潮濕的房間。我們建議建造一扇門(mén)，以便進(jìn)行維護(hù)操作。即使在不平坦的地板上，也應(yīng)使用可調(diào)節(jié)支腳來(lái)定位家具。系統(tǒng)的機(jī)械核心由擺動(dòng)質(zhì)量表示。它由一根螺紋桿支撐在頂部，這顯然改變了擺的自然振蕩周期，但至少實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)械制動(dòng)。測(cè)量值可以根據(jù)您的空間需求而變化。螺桿固定在柜體頂部。在其下部，固定了一些體操砝碼，構(gòu)成了擺錘。在該項(xiàng)目中，使用了一些鑄鐵盤(pán)，總重量為 4 公斤。在擺錘的底部，在擺動(dòng)質(zhì)量的下方，有一個(gè)加速度計(jì)，它又通過(guò)細(xì)電線連接到 Arduino 板上。一些鑄鐵盤(pán)的總重量為 4 公斤。在擺錘的底部，在擺動(dòng)質(zhì)量的下方，有一個(gè)加速度計(jì)，它又通過(guò)細(xì)電線連接到 Arduino 板上。一些鑄鐵盤(pán)的總重量為 4 公斤。在擺錘的底部，在擺動(dòng)質(zhì)量的下方，有一個(gè)加速度計(jì)，它又通過(guò)細(xì)電線連接到 Arduino 板上。

圖 6：帶有鐘擺、加速度計(jì)和 Arduino 的盒子

運(yùn)行中的系統(tǒng)

測(cè)試過(guò)程執(zhí)行起來(lái)非常簡(jiǎn)單。您需要啟動(dòng) Arduino 板，然后在您的個(gè)人計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)該軟件。系統(tǒng)將立即啟動(dòng)并顯示第一個(gè)測(cè)量值。在圖表上，您可以看到微小的振動(dòng)，這是加速度計(jì)正常工作的標(biāo)志。在發(fā)生地震沖擊的情況下，可以注意到圖表中的強(qiáng)烈變化，如圖 7所示。如有必要，可以通過(guò) Ocenaudio 聲音處理程序分析軟件錄制的曲目，該程序也為文本文件提供了良好的支持。

圖 7：記錄的地震痕跡

結(jié)論

我們創(chuàng)建的設(shè)備是通知地面正在振動(dòng)的原始手段。出于這個(gè)原因，它應(yīng)該安裝在開(kāi)闊的鄉(xiāng)村，遠(yuǎn)離城市和底層，無(wú)論如何，不要安裝在建筑物的上層，因?yàn)樗偸窃跀[動(dòng)。這樣，就可以避免城市事件和誤報(bào)的檢測(cè)。最佳位置是地下室。然而，為了更精確地確定地震，有必要制造調(diào)諧到低頻的鐘擺，它還能夠確定 P 波和 L 波的幅度，以便計(jì)算震中的距離。隨著設(shè)備的創(chuàng)建，如果某些振動(dòng)超過(guò)某個(gè)設(shè)定值，則可以在軟件級(jí)別執(zhí)行警報(bào)消息。

審核編輯：郭婷