基于MEMS的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)周圍地質(zhì)層都會(huì)受到不同程度的振動(dòng)的特點(diǎn)，在當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)監(jiān)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(jī)設(shè)計(jì)了一種小型、快速、低功耗的振動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)的解決方案。試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)靈敏、可靠。
關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；MSP430單片機(jī)；振動(dòng)監(jiān)測；GPRS模塊

0 引言
我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一，地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害，如汶川縣發(fā)生的強(qiáng)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(cái)產(chǎn)損失。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的突然性，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法無法有效地預(yù)防災(zāi)害，所以建立實(shí)時(shí)自動(dòng)化振動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)非常必要。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是通過一定的監(jiān)測儀器或監(jiān)測手段對(duì)已知的地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害體的變形、位移狀態(tài)及趨勢，為地質(zhì)災(zāi)害防治決策以及預(yù)報(bào)預(yù)警提供定量的數(shù)據(jù)。
本文提出一種實(shí)時(shí)監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害振動(dòng)變化并發(fā)出報(bào)警的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的提前預(yù)報(bào)，為人們爭取逃生時(shí)間，使地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)采取相應(yīng)的疏散措施，從而避免更多的人員傷亡和損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)采用微機(jī)電系統(tǒng)(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(yīng)的振動(dòng)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳送給無線傳輸GPRS模塊，振動(dòng)信息數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過去噪、放大，傳送給上位機(jī)，若超過設(shè)定的報(bào)警閾值則報(bào)警裝置啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
整個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊，MCU模塊，無線傳輸模塊，上位機(jī)，電源模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件塊設(shè)計(jì)
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(zhí)行器以及控制電路和I2C接口于一體，能很好地獲取周圍環(huán)境的振動(dòng)信息。由于地質(zhì)災(zāi)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(shè)計(jì)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(jī)。MSP430系列單片機(jī)是16位超低功耗的微控制器系列，可使用電池長時(shí)間工作，具有強(qiáng)大的處理能力、高穩(wěn)定性；集成了豐富的片上外圍模塊；其開發(fā)工具簡單，可以在線編程，廣泛應(yīng)用于各種檢測系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等方面。
該設(shè)計(jì)中采用MSP430F247單片機(jī)。單片機(jī)和傳感器兩者之間采用I2C總線傳輸，其連接如圖3所示。