基于单片机的地动仪控制系统设计

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1、基于单片机的地动仪控制系统设计：为满足观众参与体验地动仪模拟地震监测过程而设计的一种地动仪控制系统。该系统以AT89C52单片机作为主控芯片，采用L298N电机专用驱动芯片组成驱动电路控制电机的正反转，并通过光电检测对电动推杆进行准确定位，实现了地动仪模拟地震监测过程的全自动化控制。可供多名观众同时参与体验，无需工作人员值守。使用结果表明，该系统具有可连续运转，稳定性高，故障率低等特点。　　关键词：地动仪地震监测AT89C52L298N电动推杆　　：TP368.12：A：1007-9416（2011）05-0038-02　　　　候风地动仪是我国东汉科学家张衡发明的世界第一架监测地震的仪器。当某

2、个地方发生地震时，发生地震方向的龙口就会吐出铜球，落到下面铜蟾蜍的嘴里，人们就可以知道地震发生的方向。在目前的一些地震展馆里，地动仪一般作为静态展示或者由工作人员采用简单的方式进行演示，观众无法参与体验地动仪监测地震的过程，大大降低了观众的参观兴趣和对展品的了解，为此设计了以AT89C52单片机为核心的地动仪控制系统，实现地动仪监测地震过程的全自动控制[1-2]。　　1、系统结构和工作原理　　系统结构图如图1所示。本系统由踏板震动检测电路、推杆位置检测电路、球回收检测电路、操作状态指示电路、电机驱动电路、AT89C52单片机系统和电动推杆组成。　　地动仪传动机构组成如图2所示。系统工作时，当观

3、众踩下地震踏板发出地震信号，单片机处理后，电动推杆上升把小球推过呈喇叭状开口的下卡簧后进入到储球管，这时储球管另一端口的小球受到推力，从上卡簧被推出，从龙口掉下来，落到下面的蟾蜍口中，通过管道滚到进球口处，同时电动推杆下降，当推杆低于进球口时，小球滚回到电动推杆顶部，再由电动推杆上升把小球推至复位位置，并等待下一次的操作。其中由高、中、低三个位置安装的光电开关对推杆进行位置检测，使推杆能够进行准确定位。另外一组光电开关负责对小球是否回收进行检测。　　地动仪每个方向的地震监测均由一套控制系统和一套传动机构独立组成，这样就可以组建一个可以进行4个方向或8个方向监测的地动仪，允许多名观众同时操作而互

4、相之间没有干扰。　　1.储球管2.电动推杆3.高位检测光电开关4.球回收检测光电开关5.复位检测光电开关6.低位检测光电开关7.龙口8.蟾蜍口9.小球10.进球位11.上卡簧12.下卡簧　　2、系统硬件设计　　2.1检测电路　　系统的检测电路包括踏板震动检测电路、推杆位置检测电路、球回收检测电路。以上三种电路分别采用光电开关和接近开关两种可输出开关控制信号的位置传感器[3]。　　踏板振动检测采用电感式接近开关安装在地震踏板下面，在踏板的相应位置安装检测的金属片，观众踩下踏板，接近开关输出高电平信号到单片机，放开踏板时输出低电平信号。　　推杆位置检测和球回收检测采用对射式光电开关，分别安装在推杆

5、行程预设的高、中、低三个位置两端和要检测球是否回收的位置两端。通过光电开关的检测，输出相应电平信号到单片机。　　2.2电机驱动电路　　本设计采用L298N电机专用驱动芯片组成的驱动电路，如图3所示。实现电动推杆电机的正反转和停止，并带有电机电流过载保护，防止电动推杆发生故障时电机电流过大烧毁[4]。　　2.2.1L298N电动驱动芯片　　L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以驱动两个直流电机或一个两相或四相步进电机，接受标准TTL逻辑电平信号，可以直接用单片机的IO口提供信号和直接通过电源来调节输出电压，可驱动46V，2A以下的电机，而且电路简单，使用方便。5、7、10

6、、12脚信号输入端接输入控制电平，控制电机的正反转；2、3、13、14脚四个输出端分别可接两个电机；1、15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号；6、11脚控制使能端，输入控制电平可控制电机的停转；4、9脚分别为控制电源和电机供电电源；8脚为接地端。L298N的控制功能逻辑为:控制使能端为低电平时，输入电平对电机控制不起作用，当控制使能端为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。输入电平同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。　　2.2.2电机电流过载保护　　当电动推杆发生故障，电机电流过大时，L298N15脚连接的电流采样电阻R13上通过的电流增加，采样电阻上的电压升高，三极管

7、Q4导通，使L298N11脚的控制使能端为低电平，电机停止。电容C4吸收电机启动时的过流电压波形，从而使电机正常启动。　　2.3操作状态指示电路　　如图4所示。为防止观众由于不清楚地动仪的工作状态而乱踩踏板，地震踏板上设有操作状态指示。系统处于等待状态时，代表观众可以操作的绿色标志灯亮；系统处于工作状态或故障状态时，代表禁止操作的红色标志灯亮，　　由三极管组成的电子开关电路，系统处于等待状态时，单