基于P波检测的民用地震预警系统设计

摘要

从探讨地震预警的基本思想，以及国内外地震预警系统的研究现状出发，设计了一种适合民用的地震预警系统。预警原理是利用P波与S波的走时差，迅速从背景噪声中检测出最先到达的P波，赶在破坏性地震S波来临之前发出预警信号。具体方案是实时监测建筑的振动情况，利用P波主要引起建筑物上下振动的特性，依据一定的算法进行P波的快速识别从而迅速做出预警判断。
　　对P波的检测主要表现在对其加速度的检测上，依据其幅频特性进行了详细的硬件电路设计及相应的软件程序设计。其中硬件电路设计部分，主要包括信号检测电路、微控制器电路、声光报警、液晶显示、无线收发电路等的设计。采用了三轴加速度传感器MMA7260作为信号采集芯片；8阶椭圆滤波芯片MAX7400为频率选择器，截至频率1Hz～10KHz；高性能、高精度ADμC842单片机为控制核心，自带8通道12位模数转换器，满足测量精度要求，略去了专门的AD转换芯片，简化了硬件电路：系统中加入了无线收发模块NRF905，既扩大了应用范围，又方便系统扩展。软件程序设计部分，主要是完成控制器对各个外围电路的控制以及数据的处理工作。其中最重要的是P波加速度信号的快速识别算法。通过比较最终选用了简单、快速的长短时平均比STA/LTA方法。其原理为用STA和LTA之比来反映信号幅值以及幅值增长的变化，当地震来临时，STA要比LTA变化得快，相应的比值会有一个明显的突变，当其值大于某一个设定的阈值时，立即发布预警信号。系统中为了降低误报率，加入了对S波的检测识别，当系统发出报警信号后，立即转去检测水平向加速度信号，识别算法同P波，若在规定时间内检测出S波则确定地震发生，反之则自动消除报警信号。
　　设计的民用地震预警系统具有预警速度快、误报率低、便携性、可扩展性等特点，适合家庭、学校、工厂等场所使用。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 地震预警的基本思想

1.3 国内外地震预警系统研究现状

1.4 论文的来源以及章节安排

第二章 系统总体设计

2.1 设计目标

2.2 研究内容

2.3 设计依据

2.4 系统需求分析

2.5 规格说明及技术指标

2.6关键技术及其解决方案

2.6.1 地震事件的快速识别算法--长短时平均比

2.6.2 地震预警范围及预警时间计算

2.7 系统体系结构

2.8 本章小结

第三章 系统硬件电路设计

3.1 硬件总体结构设计

3.2 控制模块电路设计

3.3 振动加速度传感器的电路设计

3.3.1 三轴加速度传感器的选型

3.3.2 MMA7260的结构与原理

3.3.3 MMA7260硬件电路设计

3.4 信号调理电路设计

3.4.1 低通滤波电路设计

3.4.2 ADC输入驱动电路设计

3.5 按键及报警电路设计

3.6 液晶显示模块的电路设计

3.7 无线收发模块电路设计

3.8 串口通讯电路设计

3.9 电源电路设计

3.10 本章小结

第四章 控制软件设计

4.1 软件总体结构设计

4.2 软件总体运行流程

4.3 系统初始化程序

4.4 数据采集程序设计

4.5 数据处理程序设计

4.6 按键及报警程序设计

4.7 液晶显示程序设计

4.8 无线收发程序设计

4.9 串口通信程序设计

4.10 本章小结

第五章 结束语

5.1 工作总结

5.2 系统的不足和改进

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文