家用地震报警器创新设计研究范文

目前，家用地震报警器对地震的检测有两种类型：一是检测震动，主要通过检测地震P波和S波在地层内传播速度差，实现对破坏性地震提前数十秒报警，给人们躲避地震提供准备时间。二是检测磁场变化。用于检测磁场变化的技术，主要包括直接应用电子传感器的检测技术和检测物理指南针偏角的传感技术两种。直接应用电子传感器的检测技术包含基于磁阻效应的传感技术和基于电子指南针的传感技术等；检测物理指南针偏角的传感技术包含触点式检测、干簧管式检测、霍尔元件式检测等。以上直接应用电子传感器对磁场检测的方法中，基于电子指南针的传感技术灵敏度高，基于磁阻效应的传感技术灵敏度偏低。但电子指南针易受到无线电存在干扰，且对数据处理要求较高，根据此原理设计的地震报警器的家用效果并不理想。而通过物理指南针对磁场进行检测的方法中，传感器对物理指南针角度的检测灵敏度均偏低，导致传感效果不理想。针对上述问题，本文对家用报警器进行创新设计，将光反射原理应用于通过检测物理指南针角度对磁场偏角进行检测的家用地震报警器中，能使其在保留较高抗干扰能力的优点的基础上，获得较高的检测精度，实现对物理指南针角度的检测进行了改进和优化，并指出其未来该领域的研究趋势和应用前景。

地震报警器中指南针传感系统的工作原理及其

调试1、指南针传感系统的工作原理当指南针传感系统中的指南针发生转动时，镜面与入射激光的夹角发生变化，反射光发生偏转，最终激光照到的光照传感器改变。单片机通过读取光照传感器阵列的数据并利用几何关系运算即可得到实时的指南针角度。开机后，单片机通过光照传感器阵列获取实时的指南针角度。当指南针角度稳定后，报警器进入警戒状态。此时单片机记录指南针初始角度，此后单片机会不断读取光照传感器阵列的即时数据，换算为指南针角度后与初始角度进行比较。当磁场发生变化使指南针偏转时，单片机运算得到的指南针角度发生改变，单片机通过作差可以得到指南针偏角，控制报警器做出报警等相关响应。同时，在指南针上放置的镜片可在指南针圆盘的上表面内绕圆盘圆心旋转，此调整由使用者完成，且所用的激光发生器为“一”字形激光发生器，以确保激光能经过镜面反射并最终照射到水平放置的光照传感器阵列的水平方向的中部。在应用光反射原理的地震报警器中，需要采用遮光性能好的材料制作外壳以保证光敏元件稳定工作。2、调试指南针传感系统中光照传感器与镜片中心相距10cm，光照传感阵列由一排宽度5mm的光敏电阻构成，经过简单的几何运算，可以得出当指南针偏角大于0.8°时，报警器将检测到指南针的偏转。用一块磁铁靠近本装置来模拟磁场变化，报警器能在磁场发生较小变化时灵敏地对磁场变化进行报警。装置模型采用6V供电，在警戒状态时功率不高于0.7W，适合长期开机运行。报警器若采用触点法检测物理指南针，则其只能检测到物理指南针是否接触到触点，且其中相关结构很可能对物理指南针的正常旋转产生阻碍或对物理指南针产生不能忽略的引力干扰，而应用光反射原理的检测方式能较准确地得到物理指南针的具体角度，使我们能为报警器设置可调的阈值，能更便捷地调整报警器的灵敏度以减少误报，同时又能排除触点结构对物理指南针产生干扰的弊端。可见此原理的应用不仅能有效提高检测灵敏度，还能为报警器具有更多功能提供条件。

地震报警器的结构与功能

1、地震报警器的结构和功能本文利用光反射原理设计家用地震报警器，采用光照传感器阵列和单片机对物理指南针进行检测和分析，报警器能通过光反射将物理指南针的偏转角度放大，其外观见图1。基于光反射原理的家用地震报警器，内部结构可见图2。其特征在于：其包括报警器壳体、设置在报警器壳体内部的单片机控制系统、震动传感系统和指南针传感系统；所述震动传感系统用于对震动进行检测，并将检测信号发送到所述单片机控制系统；所述指南针传感系统用于对磁场变化进行检测，并将检测信号发送到所述单片机控制系统；所述单片机控制系统用于对接收到的震动信号和磁场变化信号进行处理，得到震动幅度和指南针偏角，并根据数据处理结果进行存储、显示和报警。具体结构及其功能如下：图1和图2中，主要包括报警器壳体1、设置在报警器壳体1内部的单片机控制系统2、震动传感系统3和指南针传感系统4。其中，震动传感系统3用于对震动进行检测，并将检测信号发送到单片机控制系统2；指南针传感系统4用于对磁场变化进行检测，并将检测信号发送到单片机控制系统2；单片机控制系统2用于对接收到的震动信号和磁场变化信号进行处理，得到震动幅度和指南针偏角（即磁场变化），并根据数据处理结果进行存储、显示和报警。单片机控制系统包括单片机主机、单片机从机、按键、液晶显示器、蜂鸣器、第一电压比较器、第二电压比较器、时钟电路、外部存储器以及与上述各部件相连的供电电路及大功率驱动电路；所述第一、第二电压比较器从所述震动传感系统和指南针传感系统采集电压信号并与预设值进行比较，再将比较结果发送到所述单片机从机；所述单片机从机对所述第一、第二电压比较器发送的比较结果进行处理，得到震动信号和磁场变化信号后发送到所述单片机主机，同时完成对所述时钟电路的信息读取，并将提取的报警时刻、报警时的震动幅度和磁场偏角存储到所述外部存储器；所述单片机主机通过电源控制线与所述供电电路及大功率驱动电路相连，控制所述供电电路及大功率驱动电路为各部件供电，并对所述按键的输入进行检测，同时根据所述单片机从机发送的震动信号和磁场变化信号发送报警信号到所述蜂鸣器和液晶显示器，通过所述液晶显示屏进行信息交互和信息显示。图2中，单片机控制系统2包括单片机主机20、单片机从机21、按键22、液晶显示器23、蜂鸣器24、第一电压比较器25、第二电压比较器26、时钟电路27、外部存储器28以及与上述各部件相连的供电电路及大功率驱动电路29。其中，单片机主机20分别与单片机从机21、按键22、液晶显示屏23、蜂鸣器24和供电电路及大功率驱动电路29相连，单片机从机21分别与第一电压比较器25、第二电压比较器26、时钟电路27和外部存储器28相连，第一、第二电压比较器25、26分别与震动传感系统3和指南针传感系统4相连，供电电路及大功率驱动电路29通过电源线291与外部电源相连，电源线291上设置有电源开关292。第一、第二电压比较器25、26从震动传感系统3和指南针传感系统4采集电压信号与预设值进行比较，并将比较结果发送到单片机从机21；单片机从机21对第一、第二电压比较器25、26发送的比较结果进行处理得到震动信号和磁场变化信号后发送到单片机主机20，同时完成对时钟电路27的信息读取（即获取报警时刻），并将报警时刻、报警时震动幅度和磁场偏角存储到外部存储器28；单片机主机20通过电源控制线与供电电路及大功率驱动电路29相连，控制供电电路为各部件供电，并对按键22的输入进行检测，同时根据单片机从机21发送的震动信号和磁场变化信号进行分析，发送报警信号到蜂鸣器24和液晶显示器23，通过液晶显示屏23进行信息交互和信息显示。震动传感系统包括杠杆装置和光反射检测装置；所述杠杆装置用于检测地面震动，所述光反射检测装置用于将所述地面震动的幅度进行放大，最终转化为电信号，并发送到所述单片机控制系统，如图3所示。图3中，震动传感系统3包括：杠杆装置31和光反射检测装置32。其中，杠杆装置31包括底座311、两立柱312、弹簧313、旋转轴314、杠杆315和配重物316。底座311固定设置在报警器壳体1底部，其一端上表面两侧分别竖直设置两立柱312，两立柱312顶部通过螺栓固定连接一旋转轴314，杠杆315一端可转动地穿设在旋转轴314一侧，并通过旋转轴314上的定位螺栓固定，杠杆315另一端固定设置配重物316；弹簧313一端固定设置在靠近两立柱312的底座311上表面，另一端与杠杆315下表面固定连接，使得杠杆315在平衡时呈水平状态。光反射检测装置32包括第一镜片321、第一激光发生器322和第一光敏电阻阵列323。其中，第一激光发生器322固定设置在底座311上靠近立柱312处，且第一激光发生器322的激光出射方向竖直向上；第一镜片321固定设置在位于第一激光发生器322正上方的杠杆315上，且与杠杆315呈45度角；第一光敏电阻阵列323竖直固定设置在报警器壳体1侧壁上，并使杠杆315平衡时第一激光发生器322发出的激光经镜片321反射后的落点位于第一光敏电阻阵列323的中部。第一激光发生器322通过导线与单片机控制系统2中的供电电路相连，第一光敏电阻阵列323通过导线与单片机控制系统2中的第一电压比较器25相连。当底座311发生震动时，杠杆315与底座311的相对位置发生改变，杠杆315绕旋转轴314转动，第一镜片321与入射激光的夹角发生变化，反射光方向偏转，最终激光照到第一光敏电阻阵列323上的位置改变。信息经单片机控制系统2处理后可以转化为角度数据，进而得到震动幅度。杠杆装置包括底座、两立柱、弹簧、旋转轴、杠杆和配重物；所述底座固定设置在所述报警器壳体底部；两所述立柱分别竖直设置在所述底座一端上表面两侧；所述旋转轴通过螺栓固定连接在两所述立柱顶部；所述杠杆一端可转动地穿设在所述旋转轴一侧，并通过所述旋转轴上的定位螺栓固定，所述杠杆另一端固定设置所述配重物；所述弹簧一端固定设置在靠近两所述立柱的所述底座上表面，另一端与所述杠杆下表面固定连接，使得所述杠杆在平衡时呈水平状态。光反射检测装置包括第一镜片、第一激光发生器和第一光敏电阻阵列；所述第一激光发生器固定设置在所述底座上靠近所述立柱处，且所述第一激光发生器的激光出射方向竖直向上；所述第一镜片固定设置在位于所述第一激光发生器正上方的所述杠杆上，并与所述杠杆呈45度角；所述第一光敏电阻阵列竖直固定设置在所述报警器壳体侧壁上，并使所述杠杆平衡时所述第一激光发生器发出的激光经所述第一镜片反射后的落点位于所述第一光敏电阻阵列的中部；所述第一激光发生器和第一光敏电阻阵列通过导线与所述单片机控制系统相连。指南针传感系统包括用于检测地磁角度变化的物理指南针和指南针偏角检测装置；所述物理指南针固定设置在所述报警器壳体底部内侧，所述指南针偏角检测装置用于将所述物理指南针检测的地磁角度信号经过激光放大后转变为电信号发送到所述单片机控制系统，具体包括有固定在外壳上的激光发生器，由底座、可旋转圆盘和固定于其下方的两块磁铁构成的指南针、指南针上放置的可随指南针旋转的镜面、位于激光落点处的水平放置的光照传感器阵列。如图4所示。物理指南针包括底座、可旋转圆盘和两块磁铁，所述底座固定设置在所述报警器壳体底部内侧，其上竖直固定设置有一带尖端的钢轴；所述可旋转圆盘活动放置在所述钢轴尖端上，其下部对称固定设置两块所述磁铁，两所述磁铁的磁极指向相同，所述两块磁铁的磁极指向相同，方向均沿着所述可旋转圆盘的同一条直径方向。指南针偏角检测装置包括第二镜片、第二激光发生器和第二光敏电阻阵列，所述第二镜片可转动地放置在所述圆盘中央，所述第二激光发生器和第二光敏电阻阵列固定设置在与所述第二镜片处于同一水平高度处的所述报警器壳体侧壁上，使得所述物理指南针稳定时，所述第二激光发生器发出的激光沿水平方向照射在所述第二镜片的中部并与其成45度角，且激光经所述第二镜片反射后的落点位于所述第二光敏电阻阵列中部；所述第二激光发生器和第二光敏电阻阵列均通过导线与所述单片机控制系统相连。在图3、图4中，指南针传感系统4包括：物理指南针41和指南针偏角检测装置42。其中，物理指南针41包括底座411、可旋转圆盘412和两块磁铁413，底座411固定设置在报警器壳体1底部内侧，其上竖直固定设置有一带尖端的钢轴；可旋转圆盘412活动放置在钢轴尖端上，其下部对称固定设置两块磁铁413，两块磁铁413的磁极指向相同，方向均沿着可旋转圆盘412的同一条直径方向。指南针偏角检测装置42包括第二镜片421、第二激光发生器422和第二光敏电阻阵列423，第二镜片421可转动地放置在可旋转圆盘412中央，第二激光发生器422和第二光敏电阻阵列423固定设置在报警器壳体1侧壁上与第二镜片421处于同一水平高度处，使得物理指南针41稳定时，第二激光发生器422发出的激光沿水平方向照射在第二镜片421的中部并与其成约45度角，且激光经第二镜片421反射后的落点位于第二光敏电阻阵列423中部。第二激光发生器422通过导线与单片机控制系统2中的供电电路29相连，第二光敏电阻阵列423通过导线与单片机控制系统2中的第二电压比较器26相连。当物理指南针41发生转动时，第二镜片421与入射激光的夹角发生变化，反射光方向偏转，最终激光照到第二光敏电阻阵列423上的位置改变。第二光敏电阻阵列423将采集的光信号转化为电信号后，电信号由单片机控制系统2进行接收和处理，进而得到指南针角度。

地震报警器的实施过程

首先将报警器放置在稳定且远离磁场干扰处，并接通电源；然后根据液晶显示屏23的提示通过按键22选择震动传感系统3所需的灵敏度，也可关闭震动传感系统3；之后根据液晶显示屏22上的提示内容调节物理指南针41上第二镜片421的放置角度，直到第二激光发生器422发出的激光沿水平方向照射在第二镜片421的中部并与其成约45度角，且激光经第二镜片421反射后的落点位于第二光敏电阻阵列423中部；物理指南针41稳定后报警器自动进入警戒状态，液晶显示屏23自动熄灭。此时可通过按键22开启液晶显示屏23，查看外部存储器中存储的近期报警次数以及数据库中的历史报警参数记录。报警器被触发时，单片机主机20发送报警信号到液晶显示屏23和蜂鸣器24，液晶显示屏23根据报警信号自动亮起，并显示本次报警过程中的最大震幅和物理指南针的最大偏角，蜂鸣器24根据单片机主机的报警信号自动响起，并根据单片机主机20的控制信号，在2分钟后自动停止报警。报警期间，通过按下对应按键可以终止报警，此时根据液晶显示屏23提示通过按下对应按键控制报警器是否将本次报警的相关参数进行存储。报警停止后，报警器等待内部物理指南针恢复稳定，稳定后重新进入警戒模式。当弹簧313弹性减弱时，震动传感系统3中杠杆315的平衡位置会发生改变，且不会恢复。单片机控制系统2检测到这种激光落点的单向持续偏移时，可确定弹簧弹性已经减弱。当杠杆315平衡位置偏移量过大，以至激光落点偏移至第一光敏电阻阵列323的边缘时，弹簧313弹性已经减弱过多并开始影响对震动的正常检测，此时液晶显示屏23会在单片机控制系统2的控制下亮起并显示“震动传感器错误”以提醒使用者更换弹簧。

结语

本文的主要创新点在于，通过光反射原理对指南针偏角进行放大，使应用此原理的地震报警器与其他使用物理指南针的产品相比大幅提高了灵敏度，又避免了使用电子指南针时出现的易受电磁波干扰的弊端。且这样的结构不会对指南针的正常偏转造成任何影响。这样能使应用物理指南针的家用地震报警器具有可观的检测精度，充分发挥出其抗干扰能力强的优势，使我们能设计制造出更可靠、更实用的家用地震报警器。因此，若能有效解决对物理指南针角度检测灵敏度不足的问题，我们将会有更大的希望基于通过检测物理指南针角度检测磁场角度的原理设计出更适合家用的地震报警器。这种光反射原理还可以拓展到其他产品中，例如其能在必要时提供对物理指南针三维角度进行精确检测的方案。未来研究和应用将围绕以下三个问题展开：第一，指南针传感系统中所用光敏传感器阵列的灵敏度较低，实际应用中可通过采用更精密的光敏传感元件对激光落点进行更精确的检测。这样能够进一步提高磁场检测精度。第二，所用物理指南针较为笨重，而具有哪些特点的物理指南针更适合在地震报警器中作为磁场检测元件的问题还有待研究。第三，物理指南针只能在水平面内旋转，而能否通过使物理指南针绕其质心三维旋转，来扩展地震报警器的磁场检测范围也有待进一步研究。

作者：岳晨昊 单位：西安北大科技园创新基地