李香宇，王 萌，周 旻，张朋新



基于AT89S52单片机的民用地震报警器的设计

李香宇1，王 萌1，周 旻1，张朋新2

（1. 海军航空工程学院，山东烟台264001；2. 东北大学，沈阳110000）

为实现地震信息的报警及生命信息的探测，设计了地震检测报警系统。根据地震波的特点，采用加速度传感器检测地震波，经单片机分析、处理后，判断地震发生与否。如果检测到地震发生，警报系统第一时间向人们发出地震警报和逃生语音提示，之后通过内置的生命探测红外传感器探测周围的生命信息，当检测到被困人员时，无线发射模块向外界发送两种不同频率的电磁波，进行无线求救和语音求助，以求最大限度地减少地震灾害造成的损失。

地震报警器 加速度传感器 生命探测 红外传感器 语音芯片

0 引言

地震作为一种自然灾害，对我们生产生活破坏极大，其灾害的最大特点是突发性和毁灭性[1]。为最大限度减少地震对人类的伤害，为了最大限度避免唐山大地震、汶川大地震等人间灾难再次发生，在当前地震预测技术尚不成熟之际，为此尽快研制一种技术成熟、符合实际、价格实惠和易于推广的“地震检测报警器”显得尤为重要与迫切。基于此，本文设计了“地震检测报警系统”，利用单片机来控制对地震信息的采集、处理和及时报警的功能，从而来减少地震灾害带来的巨大损失。

系统总体设计

地震检测报警器是通过检测墙壁或地板的振动的加速度，速度和位移，来测量纵波和横波的相关数据，并与标准的震烈度表进行比较，根据比较结果判断是否需要报警以及报警的情况, 然后在需要时进行语音提示，使人们能够对地震的到来有更多的准备时间, 使处在室内的人在强烈震动发生之前能够及时采取适当的避险措施，尤其对于那些地震发生时仍处于睡眠状态和大型娱乐场所的人，这很重要。

地震检测报警系统是一种基于嵌入式设计的检测报警系统，主要包括地震波检测单元、单片机处理单元、红外生命探测单元和报警单元四部分。本地震检测警报系统的结构如图1所示。

地震检测报警系统除了以上的几个核心模块，还有备用电源和应急灯。备用电源可以避免由于停电而导致报警系统不能正常工作；应急灯在紧急情况下自动打开照明装置，以方便迅速撤到安全区。

图 1 地震检测系统结构

硬件设计

根据其系统结构，硬件设计主要涵盖地震波检测，单片机处理，警报提示和红外生命探测四个部分。

地震波检测

基于加速度的传感器，可以直接检测地震烈度，即检测P波[2]和S波，设计中通过加速度传感器同时测量这两种波的强度，提供模拟输入信号，并交由单片机分析处理，这些数据都是后面模块的基础。

MMA7260QT作为微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，供用户不同灵敏度应用的需要。同时带有低通滤波并已做零g补偿。芯片提供休眠模式，最低供电电流3 μA，满足便携产品低工耗的要求，此时建议选择1.5 g工作模式。其地震波检测电路如图2所示。

对图2中的引脚1与2的输入搭配，可实现对加速度范围和灵敏度的选择，其组合逻辑如表1所示。

MMA7260QT的关键组成部分为加速度感应单元，主要利用半导体材料经过刻蚀加工成型的机械结构，基于可变电容原理。如图3所示，当芯片受到外力产生加速度时，相当于两个固定极板之间的可变极板位置发生了对应变化，从而将加速度变化以电容值变化的形式体现出来。此后再通过内部电路将电容转化为电压变化，经过滤波增益等相关处理后输出。

图2 地震波检测电路

表1 加速度范围和灵敏度选择

图3 加速度感应单元原理

单片机处理模块

采用AT89S52单片机为整个报警器的主控模块，它通过算法分析处理A/D转换后的数字信号，并根据处理结果发出控制信号和操作显示。AT89S52是Atmel 公司生产的低功耗、高性能CMOS8 位单片机，片内含有8 K 字节的EPROM和256 字节的RAM[3]。

AT89S52 具有以下标准功能：8 kbyteFlash，256 byteRAM，32 bitI/O接口线，看门狗定时器，2个数据指针，3 个16 bit定时器/计数器，1个6向级2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。它具有灵活性高、使用方便、价格低廉等优点。因此，该芯片在控制系统中得到了广泛应用[4]。

报警模块

地震检测报警系统能进行声光报警，报警模块主要包括应急指示灯和语音提示模块。单片机通过控制开关来控制应急指示灯的亮灭。平时应急指示灯是灭的，只有当系统检测到地震发生时，自动打开应急指示灯提供照明，对人们逃生将有很大帮助。

语音提示模块采用语音芯片ISD4002，其工作电压3 V，单片录放时间4~8 min，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。该芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4.0，5.3，6.4和8.0 kHz，频率越低，录放时间越长，而音质有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年，反复录音10万次。

红外生命探测

红外生命探测功能是通过检测周围的生还者身体发出的长波，检查周围倒塌的房屋下是否有掩埋的人。若检测到掩埋人体发出的波，则发出呼叫救援警报，向外界发出呼叫，这样就能主动呼叫求助，而不是慢慢等外界来搜救，这样不仅可以使处于危险中的生还者及时得以救助，还可以大大提高搜救工作的效率，为营救工作节省大量的人力物力。

本设计通过外接9916B无线接收板来接收红外探测器检测的信号，其特性为：工作电压为5 V，工作频率315 MHz，静态工作电流为2.2 mA。外接天线为多芯或单芯普通导线，发射距离为50~120 m，以超再生方式接收。适用于数据传送及信号控制、工业控制、防盗报警。

软件设计

根据系统总体设计，将地震检测警报系统的软件设计主要分为三方面：地震波检测和报警流程的设计，紧急逃生语音提示模块的设计，红外生命探测及发送SOS信号求救模块的设计。

检测报警流程

当检测地震波时，先采用加速度传感器检测房屋上下振动的情况，根据地震局的相关资料，通过采集房屋质点上下振动的加速度来初次判断地震的发生与否以及地震的等级。这里用加速度传感器检测地震时，如果检测到房屋上下振动并且加速度值较大（如大于预设值1），则直接进入语音报警模块；若较小（如小于预设值2），则不予以报警，并返回初始状态继续检测； 否则，则需通过测量房屋左右晃动的幅度（即测量房屋的左右振动的加速度或测量房屋摆动的角度），若幅度值超过预设值3，则确认地震发生，给予语音报警模块信号，否则返回初始状态继续检测。地震波检测警报整体流程如图4所示。

在地震发生一定时间后，地震检测报警器自动打开红外生命探测模块，通过检测人体发射的红外线，来判定是否有生还者，当检测到信号时，则打开求助信号发生单元，向外界呼叫求助。

语音提示设计

事先在语音芯片ISD4002内植入一定的语音提示压缩码，然后将语音芯片嵌入到核心处理器中。当地震发生时，根据传感器输入的信号，来调用语音模块，从而达到向人们发出预警信息和逃离方案指示信息。

涉及到的主要函数：

void spi_send ( unsigned char isdx ) //ISD4002 SPI串行发送子程序，8位数据

void isd_stop (void) //发送STOP指令

void isd_play (void ) //发送PLAY指令

void isd_rec (void ) //发送REC指令

void isd_setplay ( unsigned char adl, unsigned char adh ) //发送SETPLAY指令

void isd_setrec ( unsigned char adl, unsigned char adh ) //发送SETREC指令

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

系统检测到地震发生时，先发出高分贝的警报声，然后语音提示通知人们发生地震的情况，以便及时掌握地震的情况，采取合理的应对措施。尤其当地震发生在夜间时，通过高响度的报警和语音提示音，能够及时唤醒沉睡的人们，紧急采取逃生避险措施。

红外生命探测与SOS信号求助模块设计

红外生命探测器周期性的检测建筑物内是否有人，当检测到人体发出的红外线时，发射能被9916B无线接收板接收的信号。无线接收板接收到检测信号时，把其存储在单片机的存储器中，这些存储着的信号，随着红外探测器被周期性的修改。

当检测到地震发生时，单片机控制报警器报警的同时，分析存储器中的数据，若发现存有信号，则说明还有人未逃离现场，马上发出求救信号。生命红外探测及无线SOS发射信号求救流程如图5所示。

4 结束语

基于现在的科学技术，人类还无法准确预测地震的发生，但我们可以在地震发生时，第一时间提供人们关于地震信息，尽可能早地减少人员伤亡。在此，我们设计了地震检测报警系统，虽然由于技术和水平等方面的原因，产品可能还存在很多不足之处，但希望能借此吸引更多人对地震报警进行研究，最大可能性地减小地震带来的人员伤亡和财产损失。

图5 红外生命探测与无线SOS信号求助流程

[1] 卓郑安, 周顺, 阮海宇. 基于单片机的普及型地震报警器设计与应用. 实验技术与管理, 2014,31(4):.84-92.

[2] 夏丹丹, 吴永忠, 王刘非, 潘学涛. 基于P波加速度信号检测的地震预警器硬件实现. 2011通信安全学术会议论文集: 277-280.

[3] 黄小波. 基于AT89S52单片机与DS18B20的温度监控系统. 微计算机信息, 2008, 24(10): 119-120.

[4] 赵德生, 李德仓. 基于AT89S52的数字式电子钟系统的设计与实现. 计算机应用, 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，讲师。研究方向：检测技术、自动控制。