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我國地下水占水資源總量的三分之一，年供水量占總供水量的近20％，在支撐經濟社會發展中具有重要作用。大規模地下水開發造成局部地區地下水超采，誘發地質災害。如：地面沉降、地裂縫災害等。 如今我國對于地下水位的監測，大部分監測點仍以傳統的人工定時測量方法(電表、測鐘、測繩等)為主，因而對于某些突發性的地下水位異常不能起到很好的預警作用，同時也會占用大量的人力，且存在人為誤差，因此實現地下水位重點監測點的自動監測有利于提高各種地質災害的預報、預測。 采用ARM作為主控器能夠降低功耗，并為建立無線網絡通信奠定了基礎，使系統更高效、可靠。 1 設計方案 1．1 方案概述 此系統的基本設計思路是：前端利用差壓式傳感器MPX5100DP采集原始信號，經調理放大后，送入主控制器LM3S6l5，經內部AD轉換等處理后，通過無線通信模塊PTR8000發送到室內監控室，PTR8000接收端接收到數據后，在控制器的控制下，通過串口RS232發送到上位機，人機界面通過LabVIEW軟件實現，可以對數據進行處理、顯示及存儲等。系統框圖如圖1所示。 此系統主要包括電源模塊、信號調理模塊、ADC模塊、LCD模塊、無線發射模塊、無線接收模塊、串口通信模塊以及上位機模塊等8個部分。發射端電源因為要在野外工作，由12V電瓶供電；接收端電源采用USB供電。信號調理模塊主要包括調零電路、多檔放大電路、低通濾波電路。ADC和LCD模塊分別采用LM3S615內置的10位AD和LM3S615開發板上的配套LCD。無線發射接收模塊采用PTR8000模塊，半雙工工作方式。串口通信模塊有LM3S系列第一款控制器LM3S10l來控制通信。上位機界面采用LabVIEW軟件編寫。 1．2 信號采集 (1)壓力傳感器 MPX5100DP是一種集成硅壓力傳感器，自帶片內信號調理功能和溫度補償功能，輸出為高精度模擬電壓信號。該傳感器特別針對帶內置A／D的微控制器。壓力范圍為0～100kPa，對應水位范圍為0～10m，滿量程輸出為4．7V，靈敏度為45mV／kPa。圖2為MPX5100DP的實物圖和推薦退耦電路。 MPX5100DP的上部有兩個孔：Pl孔為壓力孔，直接與水接觸；P2孔為真空孔，通入空氣。電壓的變化與P1和P2的差值P的變化成正比，MPX系列被設計成正壓式傳感器，即P1＞P2，P=Pl-P2。 (2)信號調理電路設計 當P1=P2時，傳感器有個固定偏移電壓約為200mV，設計電路時，設計一個減法器將其減掉，每次測量前通過調節可變電阻，使傳感器輸入為0時，輸出電壓也為0。設計兩檔(×1，×10)對傳感器輸出電壓進行放大，這里選用低噪聲、低偏移電壓的OP27，并且選用了精密的放大電阻18k和2k，保證信號放大倍數的準確。在實際測試前，調節調零電路使輸出為零。 用多路選擇芯片74HC4052完成對傳感器輸出電壓量程的選擇。蓄電瓶供應+12V直流電壓，經7805轉換為+5V電壓，ICL7660將+5V電壓轉換為-5V電壓，為OP27提供正負供電電壓。信號調理電路如圖3所示。 1．3 控制器 選擇LM3S615微控制器，其具有以下產品特性：32位RISC性能、內部存儲器、通用定時器、可遵循ARMFiRM規范的看門狗定時器、同步串行接口(SSI)、UART、ADC、模擬比較器、I2C、PWM、GPIO、靈活的復位源、工業范圍內遵循RoHS的48腳LQFP封裝等等。 LM3S615最小系統，主要包括電源、復位電路、晶振、JTAG以及防JTAG失效電路等。最小系統如圖4所示。 1．4 LCD顯示模塊 本次設計直接采用EasyARM開發套件上提供的字符型LCD顯示屏TH3144，該LCD通過NXP公司的PCF8562LCD驅動芯片驅動。PCF8562是一種通用的外圍器件，能為任何微控制器／微處理器以及多種LCD提供接口。它能直接驅動任意靜態或包含4個背極以及最多32段的復用LCD。用于驅動TH3144僅需使用S0～S10 11個段和BP0～BP3 4個背極。單片機通過兩線的I2C,總線通訊通道與PCF8562通信。I2C字符型LCD顯示電路以及I2C存儲電路如圖5所示。 1．5 無線通信模塊(PTR8000) 選用無線通信模塊PTR8000，它以nRF905無線收發芯片為核心，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調節器組成。 (1)主要特點 高性能嵌入式無線模塊，多頻道多頻段，1．9～3．6V低電壓工作，待機功耗2μA；超小體積，內置環行天線，性能穩定且不受外界影響；工作方式為半雙工，頻道切換時間小于650μs，內置PCB天線，開闊地傳輸距離約100m左右。 (2)硬件接口 1)模式控制 模式控制接口由TRX CE、TX EN、PWR組成，控制PTR8000的四種工作模式：a．掉電和SPI編程模式；b．待機和SPI編程模式；c．發射模式；d．接收模式。各種模式的控制模式見表1所示。 2)SPI接口 SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN組成。在配置模式下，單片機通過SPI接口配置PTR8000的工作參數；在發射／接收模式下，單片機SPI接口發送和接收數據。 3)狀態輸出接口 提供載波檢測輸出端口CD、地址匹配輸出端口AM、數據就緒輸出端口DR。 1．6 上位機界面設計 水位監測系統界面采用LabVIEW軟件進行設計。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。內置了便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。圖6為設計的系統界面。 2 系統測試結果及分析 系統測試方法為：模擬地下水環境，在水深約為2米的水槽中進行測試。測試前將傳感器接入，在不放入水中時，調節可變電阻使得系統顯示水位為0cm，取定量的水槽水樣進行標定。表2為實驗數據，其中h1為標尺讀數，h2為顯示讀數。 圖7中縱坐標是傳感器輸出電壓值Vout(單位：V)，橫坐標為水位h(單位：cm)，由圖可以看出傳感器輸出電壓與水位呈現良好的線性關系。由于不同的地方重力加速度和地下水密度都不完全相同，在每次測量時，可以測量一組數據，計算出系數，在軟件中進行矯正后再次測量，達到預定的目的。 從實驗數據可以看出顯示的水位深度與標尺讀數存在著誤差，分析產生誤差的主要原因為：a．讀取卷尺數值時，存在人為的誤差；b．從傳感器到數據采集模塊之間導線對信號的損耗。 3 結論 本文利用LM3S615控制器對信號進行處理并通過LCD顯示，控制PTR8000無線模塊對數據進行實時發送，上位機接收到信號后，通過串口傳輸給PC機，利用LabVIEW軟件對數據進行處理存儲，并繪制出實時水位曲線。本系統具有可靠、方便快捷等優點，減輕了觀測人員的勞動強度，且能實時準確地提供當前水位信息，為決策者提供可靠的依據。適合于水庫、地下井等水位的監測，具有廣泛的應用領域。 |
