基于MEMS的振動(dòng)監測系統的設計

摘要：針對地質(zhì)災害發(fā)生時(shí)周?chē)刭|(zhì)層都會(huì )受到不同程度的振動(dòng)的特點(diǎn)，在當地質(zhì)災害發(fā)生時(shí)監測其振動(dòng)情況。為了給人們爭取逃生時(shí)間，在此基于MEMS加速度傳感器和GPRS模塊，采用MSP430單片機設計了一種小型、快速、低功耗的振動(dòng)監測報警系統，給出了系統的基本結構和電路實(shí)現的解決方案。試驗結果表明本系統靈敏、可靠。
關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；MSP430單片機；振動(dòng)監測；GPRS模塊

0 引言
我國是世界上地質(zhì)災害較為嚴重的國家之一，地質(zhì)災害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂縫等，而且地震還會(huì )引發(fā)次生地質(zhì)災害，如汶川縣發(fā)生的強烈地震誘發(fā)產(chǎn)生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突發(fā)性和隱蔽性，往往造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于地質(zhì)災害發(fā)生的突然性，傳統的人工監測方法無(wú)法有效地預防災害，所以建立實(shí)時(shí)自動(dòng)化振動(dòng)監測報警系統非常必要。地質(zhì)災害監測是通過(guò)一定的監測儀器或監測手段對已知的地質(zhì)災害體進(jìn)行形變、位移等特征進(jìn)行測量，分析和了解地質(zhì)災害體的變形、位移狀態(tài)及趨勢，為地質(zhì)災害防治決策以及預報預警提供定量的數據。
本文提出一種實(shí)時(shí)監測地質(zhì)災害振動(dòng)變化并發(fā)出報警的系統設計，對地質(zhì)災害發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)情況進(jìn)行監測，實(shí)現地質(zhì)災害的提前預報，為人們爭取逃生時(shí)間，使地質(zhì)災害發(fā)生后的短時(shí)間內采取相應的疏散措施，從而避免更多的人員傷亡和損失。

1 系統總體設計
該設計采用微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)加速度傳感器，利用微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)控制器將MEMS傳感器感應的振動(dòng)信息數據實(shí)時(shí)采集并傳送給無(wú)線(xiàn)傳輸GPRS模塊，振動(dòng)信息數據信號經(jīng)過(guò)去噪、放大，傳送給上位機，若超過(guò)設定的報警閾值則報警裝置啟動(dòng)，實(shí)現報警功能。
整個(gè)系統由傳感器模塊，MCU模塊，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，上位機，電源模塊構成，其結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件塊設計
2．1 傳感器模塊
傳感器模塊主要由MEMS傳感器組成，MEMS傳感器集微型傳感器、微型執行器以及控制電路和I2C接口于一體，能很好地獲取周?chē)h(huán)境的振動(dòng)信息。由于地質(zhì)災害產(chǎn)生的振動(dòng)是在各個(gè)方向上的都有分量的，所以采用三分量傳感器來(lái)測量三個(gè)正交方向的加速度變化，從而獲得振動(dòng)信息。本設計采用相互垂直放置的2個(gè)低成本雙軸加速度傳感器MXC6202來(lái)獲得3個(gè)方向的振動(dòng)信息，其電路圖如圖2所示。

2．2 MCU模塊
MCU模塊采用MSP430系列單片機。MSP430系列單片機是16位超低功耗的微控制器系列，可使用電池長(cháng)時(shí)間工作，具有強大的處理能力、高穩定性；集成了豐富的片上外圍模塊；其開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單，可以在線(xiàn)編程，廣泛應用于各種檢測系統、導航系統、智能化儀器儀表、計算機網(wǎng)絡(luò )與通信等方面。
該設計中采用MSP430F247單片機。單片機和傳感器兩者之間采用I2C總線(xiàn)傳輸，其連接如圖3所示。