前言:

地震预警系统行业技术在人们的日常生活和工作中得到越来越广泛的应用。随着我国社会经济的不断发展,对地震预警系统行业的应用需求也会增加。中国地震预警系统行业技术的发展始于1990年代后期,经历了五个阶段:技术引进-专业市场引进技术完善技术在各个行业中的应用。
目前,国内的地震预警系统行业已经比较成熟,并且越来越多地推厂到各个领域,扩展了终端设备,独特服务,增值服务等多种产品和服务,二十多种涵盖广泛的产品系列涵盖金融,交通,民生服务,社会福利,电子商务和安全领域,全面使用地震预警系统行业的时代已经到来。据不完全统计,地震预警系统行业中有超过50%的公司提供系统集成服务,而新三》中有25%的公司也提供系统集成服务。在整个地震预警系统行业市场中,参与者之仍有很大的空间供系统集成商使用,市场扁平化程度有望提高.
本设计介绍了地震报警器。地震警报器是一种用来检测和报警地震的设备。它通过感知地震震动并将信号转换成可感知的警报声音或光信号来提醒人们地震即将或已经发生。地震警报器通常采用加速度计等传感器来感知地震的震动。加速度计可测量地震波的加速度,一旦地震波的加速度超过设定的阈值,警报器将触发报警。具体来说,当地震发生时,深入地下的探测仪器首先检测到纵波。通过计算机处理,可以迅速计算出地震的参数(如震级、震源等)以及影响程度和预警时间。然后,利用距离震源的距离和纵波、横波的速度差,可以估算出横波到达特定地区的时间。在这段时间窗口内,通过电磁波(如无线电信号)迅速将警报信息传递给可能受影响的地区,从而实现对破坏性地震的预警。

1.项目设计任务要求及方案设计

1.1项目设计任务及功能

设计任务要求
第一步:通过查阅资料查找到一个地震检测报警装置
第二步:电路图及原理图的绘制
第三步:PCB的绘制
第四步:电路的焊接
第五步:软件程序及调试
功能:
地震报警器是一种用于监测地震发生并及时进行通知报警的装置。它通过监测地震时产生的地震波来通知地震的进行程度,并采取灯光、语音提示等方式来警告地震的发生。

1.2查阅资料与方案论证

方案一
用开关闭合模拟地震震动信号,接地后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器,驱动蜂鸣器和发光二极管工作,为防止电压过大,串联一个电阻分压。

图 1单稳态触发地震报警器
方案二
用水银开关闭合模拟地震震动信号,接地后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器,驱动蜂鸣器和发光二极管工作,为防止电压过大,串联一个电阻分压, 因为重力的关系,水银水珠会向容器中较低的地方流去,如果同时接触到两个电极的话,开关便会将电路闭合,开启开关,从而触发后续电路工作。所以我们采用水银开关地震报警器。

图 2水银开关地震报警器

1.3总体方案确定

通过以上两种地震报警器模型的对比,我们发现水银开关地震报警器可以在恶劣环境条件下使用。由于水银开关是密封的,内部的水银和外界是隔绝的,因此它可以使用在有油、蒸汽、灰尘及腐蚀性气体的环境中。
体积小,形式多样,且为全密封式潮件。结构简单,价格低廉。质量高,产品优质,适合初学者使用。所以我们选择水银开关地震报警器模型。

2.电路绘制

2.1原理图绘制

2.1.1软件的选取方法

市面上绘制PCB的软件有:
1. Altium Designer
Altium Designer是一款全面的PCB设计软件,提供了从原理图设计到PCB布局、封装生成、信号完整性分析等一系列功能。其可视化设计环境和丰富的工具库使得用户能够快速高效地完成电路板设计任务。
2. Cadence Allegro
Cadence Allegro是一款专业级的PCB设计软件,广泛应用于工业界。它提供了强大的信号完整性分析工具和仿真功能,适用于高速数字信号传输和RF电路设计。同时,Cadence Allegro还支持多人协作和版本控制,便于团队合作。
3. Mentor PADS
Mentor PADS是另一款流行的PCB设计软件,适用于中小规模的电路板设计。它提供了全面的设计流程和工具支持,包括原理图设计、PCB布局和封装生成。Mentor PADS还具有友好的用户界面和易于上手的特点,适合初学者和小型团队使用。
4.嘉立创
嘉立创EDA是一款专门为中国电子工程师和程序员设计的在线PCB(印制电路板)设计软件。隶属于深圳嘉立创科技集团股份有限公司,嘉立创EDA由嘉立创EDA团队基于JavaScript独立开发,并拥有完整的自主知识产权。国内版本被称为嘉立创EDA,而国际版本则命名为EasyEDA。
通过以上几种软件的对比,我们发现嘉立创相比于其他几个软件具有高效率,易用性,低成本等多个优点,所以我们选择嘉立创app来进行本次的电路绘制。

2.1.2图纸的设置参数

1.尺寸设置:根据实际需要,设置图纸的尺寸,75*60mm
2.比例尺设置:根据实际需要,设置图纸的比例尺。
3.图层设置:根据实际需要,设置图纸的图层,如信号灯层、控制逻辑层、标注层等。
4.字体设置:根据实际需要,设置图纸的字体,如宋体、黑体等。
2.1.3元件的建立
1.信号灯:在软件中选择信号灯元件,根据实际需要设置信号灯的颜色、形状等参数。
2.控制器:在软件中选择控制器元件,根据实际需要设置控制器的型号、输入输出端口等参数。
3.连接线:在软件中选择连接线元件,根据实际需要设置连接线的颜色(红、黄、绿)、粗细等参数。

2.1.4规则检查及文件输出

在嘉立创中进行规则检查,元件布局是否合理,连接线是否正确,标注是否清晰。
文件输出
板子尺寸: 90mm x 65mm
层: 总计 22, 铜箔层 2
器件: 12
封装: 12
元件: 总计 33,顶层 33,底层 0
焊盘: 总计 113, 表贴 4,金属化孔 109, 非金属化孔 0
网络: 总计 27, 未布线 0
挖槽区域: 0
过孔: 总计 0, 通孔 0, 盲埋孔 0
铺铜区域: 2
导线长度: 900.263mm

2.2PCB绘制


图 3 PCB绘制

2.1.5参数设置

板层数:交通信号灯控制器PCB通常采用双层板或四层板。双层板适用于简单的电路,而四层板则可以提供更好的信号完整性和电磁兼容性。
板尺寸:根据交通信号灯控制器的实际尺寸和安装要求,确定PCB的尺寸。通常,PCB的尺寸应略大于实际尺寸,以便于安装和焊接。
板厚度:根据电路的功率和散热要求,选择合适的板厚度。通常,板厚度在1.6mm到2.4mm之间。
板材:交通信号灯控制器PCB通常采用FR-4板材,它具有良好的电气性能和机械强度。
走线:走线和焊盘距离板边的距离应该大于等于0.3mm,防止切割的时候碰到焊盘和走线。
线宽:线宽多层板双层板最小为3.5mil,单双层板最小为5mil
焊盘大小:大于5mil
孔径:设计钻孔的孔径要比元器件至少大0.1mm以上,要不然插不进去。
插脚:插件管脚是方的,做封装时不能直接用长和宽绘制,正确的应该时用管脚的对角线加上公差,封装还是至少要比元器件大0.1mm以上。

2.1.6布线规则的设置

  1. 遵照“先大后小,先难后易”的布置原则,即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局.
  2. 布局中应参考原理框图,根据单板的主信号流向规律安排主要元器件.
  3. 元器件的排列要便于调试和维修,亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周围要有足够的空间。
  4. 相同结构电路部分,尽可能采用“对称式”标准布局;
  5. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局;
  6. 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性 分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致,便于生产和检验。
  7. 发热元件要一般应均匀分布,以利于单板和整机的散热,除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。
  8. 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短,关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流,低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开;高频信号与低频信号分开;高频元器件的间隔要充分。
    9、去偶电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚,并使之与电源和地之间形成的回路最短。
    10、元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。

    2.1.7布局

    在绘制交通信号灯控制器的PCB时,需要进行合理的布局,以确保PCB的性能和可靠性。
    1.电源和地:将电源和地放在PCB的一侧,以便于电源和地线的连接。同时,将电源和地线放在PCB的边缘,以降低信号干扰。
    2.元器件布局:将元器件按照功能和信号流向进行布局,同时考虑元器件的散热和电磁兼容性。

    2.1.8布线

    布线切层是优先放置盲埋孔:在布线切换层放置过孔时,设置对过孔或者盲埋孔进行优先设置。
    布线打孔时自动切层:开启后,布线过程中添加过孔,同时自动切换到其他层。
    布线结束时自动扇出:开启后,从芯片引脚布线时,优先从焊盘扇出一段距离。
    为自由导线分配网络:绘制无网络导线时,结束布线后自动为该自由导线及所连接的焊盘分配一个新网络。
    自动添加泪滴:绘制导线、拖动导线、焊盘、过孔后,自动添加泪滴。

    图 4 布线

3.电路焊接

3.1电路检查

电路检查是交通信号灯控制器电路焊接的基础工作,其目的是确保电路板上的元器件完好无损,电路连接正确无误。良好的电路检查可以避免在焊接过程中出现虚焊、冷焊、短路等问题,从而保证焊接质量。电路检查内容:
封装是否良好
焊盘上是否存在脱焊
电源和接地
信号线的连接:
(1)元器件检查:检查元器件是否有损坏、变形、漏电等现象。
(2)电路连接检查:检查电路板上的导线连接是否牢固,焊点是否饱满。
(3)电源检查:检查电源电路是否正常,电压是否稳定。
(4)接地检查:检查电路板接地是否可靠,接地电阻是否符合要求。

3.2仪器的使用

3.2.1电烙铁

⑴ 步骤一:准备施焊左手拿焊丝,右手握烙铁,进入备焊状态。要求烙铁头保持干净,无焊渣等氧化物,并在表面镀有一层焊锡。
⑵ 步骤二:加热焊件
烙铁头靠在两焊件的连接处,加热整个焊件全体,时间大约为1~2秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说,要注意使烙铁头同时接触两个被焊接物。导线与接线柱、元器件引线与焊盘要同时均匀受热。
⑶ 步骤三:送入焊丝焊件的焊接面被加热到一定温度时,焊锡丝从烙铁对面接触焊件。
注意:不要把焊锡丝送到烙铁头上!
⑷ 步骤四:移开焊丝
当焊丝熔化一定量后,立即向左上45°方向移开焊丝。
⑸ 步骤五:移开烙铁
焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后,向右上45°方向移开烙铁,结束焊接。从第三步开始到第五步结束,时间大约也是1至2s。

3.2.2万用表

  1. 关闭表身电源:将万用表的表身关闭,通常可以使用“关闭”或“断开”按钮来实现。
  2. 选择测量项目:根据测量需要,选择万用表的测量项目,一般常见的有电阻、电压、电流、温度等。不同的万用表可能有不同的测量项目列表,可以在表身上查看或参考说明书。
  3. 读数:找到需要测量的测量项目,按住万用表上的测量按钮,开始读取数值。不同的万用表有不同的测量方式,例如电阻表可能需要先加电后拔插电阻值,而电流表则可能需要先加电后断开电源。
  4. 调整测量位置:如果需要对电路进行测量,需要调整万用表的测量位置,使得电路与万用表的测量位置匹配。通常可以使用“调零”或“校准”按钮来调整测量位置。

    3.2.3锡焊,钳子的使用

    3.3硬件的调试

    3.3.1电源调试:

    检查电源电路是否正常,电压是否稳定。

    3.3.2信号调试:

    检查信号电路是否正常,信号传输是否稳定。

    3.3.3控制调试:

    检查控制电路是否正常,控制信号是否准确。

    3.3.4输出调试:

    检查输出电路是否正常,输出信号是否符合行供电。


图 5 硬件的调试

4.软件程序设计及调试

4.1主程序设计

4.1.1 流程图


图 6主程序流程图

图 7外部中断0服务程序流程图

4.1.2 主程序设计

(1)

ORG 0000H                     ;程序复位后入口地址
LJMP   MAIN               ;跳转到主程序
ORG    0003H            ;INT0中断入口地址
LJMP   SHD0                ;跳转到INT0中断服务程序执行
ORG    0013H              ;INT1中断入口地址
LJMP   ZHD1               ;跳转到INT1中断服务程序执行
 ;------------------------主程序--------------------------
MAIN:    MOV IE,#10000101B         ;开中断0、开中断1和开总中断
MOV    SP,#50H            ;设置堆栈底部
SETB   IT0                ;采用负边缘触发信号
SETB   IT1                ;采用负边缘触发信号
SETB   PX1                ;设置INT1为高优先级
JISHU:    MOV    A,#0FFH            ;给ACC赋初值
MOV    R7,#00H            ;循环次数初值
LOOP:   MOV    P1,A                ;将ACC中的值传送P2控制发光管
ACALL  DELAY            ;调用延迟子程序
DEC    A                ;A减1后送A
INC    R7                ;将记录循环次数
CJNE   R7,#0FFH,LOOP     ;比较不等转向LOOP
LJMP   JISHU            ;跳至计数开始
 ;-----------------------INT0中断服务程序---------------------
SHD0:    PUSH   PSW                ;将PSW的值推入堆栈保护
PUSH   ACC                ;将ACC的值推入堆栈保护
SETB   RS0                ;切换工作寄存器组到Ⅰ组
MOV    R7,#40D            ;设定左循环次数5圈×8=40次
MOV    A,#0FEH             ;单灯左循环初值
LOOP1:    MOV    P1,A                ;将ACC内容送P2口控制发光管
ACALL  DELAY              ;调用延时子程序
RL     A                ;将ACC内容左循环
DJNZ   R7,LOOP1            ;判断循环次数,满足跳转到LOOP1
POP    ACC                 ;从堆栈弹出保护数据到ACC
POP    PSW                ;从堆栈弹出保护数据到PSW
RETI                    ;返回主程序
;-----------------------INT1中断服务程序----------------------
ZHD1:    PUSH   PSW                ;将PSW的值推入堆栈保护
PUSH   ACC                ;将ACC的值推入堆栈保护
CLR    RS0                 ;切换工作寄存器组到Ⅱ组
SETB   RS1 
MOV    R7,#40D          ;设定右循环次数5圈×8=40次
MOV    A,#3FH           ;双灯右循环初值
LOOP2:    MOV    P1,A             ;将ACC内容送P2口控制发光管
ACALL  DELAY            ;调用延时子程序
RR     A                ;将ACC内容右循环移动
DJNZ   R7,LOOP2            ;判断循环次数,满足跳转到LOOP2 
POP    ACC                 ;从堆栈弹出保护数据到ACC
POP    PSW                 ;从堆栈弹出保护数据到PSW
RETI                    ;返回主程序
 ;--------------------------延迟约1秒子程序----------------------
DELAY:    MOV    R1,#10D        ;R1寄存器赋值10次
D1:        MOV    R2,#200D           ;R2寄存器赋值200次
D2:        MOV    R3,#250D           ;R3寄存器赋值250次  
DJNZ   R3,$           ;本条指令执行R3次(250次)  
DJNZ   R2,D2          ;本条指令执行R2次(200次)
DJNZ   R1,D1          ;本条执行R1次(10次)
RET                   ;返回主程序
END

(2)

ORG 0000H            ;复位入口地址
LJMP START            ;转移到程序初始化部分START
ORG 0003H            ;外部中断0入口地址
LJMP WAI0            ;转移到外部中断0的服务程序WAI0
ORG 0030H
START:     SETB P2.6            ;开机自检
SETB P2.7
LCALL DELAY            ;调延时子程序
SETB IT0            ;中断方式为边沿触发方式
SETB EA                ;开总中断
SETB EX0            ;开外部中断0
MAIN:   SJMP $              ;主程序并不执行任何任务,只是等待中断
;-----------------延时子程序------------------
DELAY:    MOV R7,#250
LOOP:    MOV R6,#25O
DJNZ R6,$
DJNZ R7,LOOP
RET
;----------------外部中断服务程序----------------
WAI0:    CLR EX0                ;禁止中断
CLR P2.6            ;点亮发光二极管
CLR P2.7            ;驱动蜂鸣器发声
RETI                ;中断返回
END

4.2单元电路软件设计

4.2.1中断系统

中断控制实质上是对4个与中断有关的特殊功能寄存器TCON、SCON、IE和IP进行管理和控制,具体实施如下:
①CPU的开、关中断。
②具体中断源中断请求的允许和禁止(屏蔽)。
③各中断源优先级别的控制。
④ 外部中断请求触发方式的设定。

5.系统测试

5.1测试仪器及测试方法

5.1.1仪器

学生电源,地震报警器,万用表

5.1.2测试方法

水银开关的工作原理是基于水银的导电特性。通常,水银开关由一个密封的玻璃管和一定量的水银组成。当水银处于静止状态时,由于其液态金属的导电性能,电流能够顺利通过水银,实现电路的闭合。而当外部施加一定的力或者角度使得水银发生位移时,导致电流无法通过水银,从而实现电路的断开。所以测试的时候使用地震模拟振动台,手动振动使得水银开关发生倾侧,从而即可测得是否正常工作。

5.2测试过程及结果分析

5.2.1测试过程

结果分析经测量计算,从LED灯可以看出,工作在正常状态,当水银开关没有没有合上开关时电路不工作,当开关合上时,电路立即工作,并且能够按照预想的状态报警,表明电路调试成功。

6.结论

本次地震警示系统的设计顺利完成并达到了预想中的使用效果。在整个系统所处的环境发生震动情况时,系统中的震动检测模块线路短接从而触发动作条件,产生信号发送给单片机,单片机传送控制指令使报警模块产生报警动作发出警报,在震动结束后可以通过手动按下复位按钮让整个系统跳回初始状态并继续持续监测震动情况。实物图如下图所示。

图 8 实物图