基于LM3S615的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集、無線模塊、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)三部分。壓力傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，送入主控制器LM3S615進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換等處理，然后通過無線通信模塊PTR8000發(fā)送到室內(nèi)監(jiān)控室。PTR8000接收端接收到數(shù)據(jù)后通過串口RS232發(fā)送到上位機(jī)，人機(jī)界面通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲(chǔ)等。該方案對(duì)提高監(jiān)測系統(tǒng)的便攜性，降低成本和能耗，有一定的參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：地下水位；LM3S615；PTR8000；LabVIEW

　　0 引言

　　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(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要作用。大規(guī)模地下水開發(fā)造成局部地區(qū)地下水超采，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。如：地面沉降、地裂縫災(zāi)害等。

　　如今我國對(duì)于地下水位的監(jiān)測，大部分監(jiān)測點(diǎn)仍以傳統(tǒng)的人工定時(shí)測量方法（電表、測鐘、測繩等）為主，因而對(duì)于某些突發(fā)性的地下水位異常不能起到很好的預(yù)警作用，同時(shí)也會(huì)占用大量的人力，且存在人為誤差，因此實(shí)現(xiàn)地下水位重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的自動(dòng)監(jiān)測有利于提高各種地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)、預(yù)測。

　　采用ARM作為主控器能夠降低功耗，并為建立無線網(wǎng)絡(luò)通信奠定了基礎(chǔ)，使系統(tǒng)更高效、可靠。

　　1 設(shè)計(jì)方案

　　1．1 方案概述

　　此系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路是：前端利用差壓式傳感器MPX5100DP采集原始信號(hào)，經(jīng)調(diào)理放大后，送入主控制器LM3S6l5，經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換等處理后，通過無線通信模塊PTR8000發(fā)送到室內(nèi)監(jiān)控室，PTR8000接收端接收到數(shù)據(jù)后，在控制器的控制下，通過串口RS232發(fā)送到上位機(jī)，人機(jī)界面通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲(chǔ)等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　此系統(tǒng)主要包括電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、ADC模塊、LCD模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、串口通信模塊以及上位機(jī)模塊等8個(gè)部分。發(fā)射端電源因?yàn)橐谝巴夤ぷ?，?2V電瓶供電；接收端電源采用USB供電。信號(hào)調(diào)理模塊主要包括調(diào)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(nèi)置的10位AD和LM3S615開發(fā)板上的配套LCD。無線發(fā)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(jī)界面采用LabVIEW軟件編寫。

　　1．2 信號(hào)采集

　?。?）壓力傳感器

　　MPX5100DP是一種集成硅壓力傳感器，自帶片內(nèi)信號(hào)調(diào)理功能和溫度補(bǔ)償功能，輸出為高精度模擬電壓信號(hào)。該傳感器特別針對(duì)帶內(nèi)置A／D的微控制器。壓力范圍為0～100kPa，對(duì)應(yīng)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(shí)物圖和推薦退耦電路。

　　MPX5100DP的上部有兩個(gè)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(shè)計(jì)成正壓式傳感器，即P1>P2，P=Pl-P2。

　?。?）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)P1=P2時(shí)，傳感器有個(gè)固定偏移電壓約為200mV，設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)減法器將其減掉，每次測量前通過調(diào)節(jié)可變電阻，使傳感器輸入為0時(shí)，輸出電壓也為0。設(shè)計(jì)兩檔（×1，×10）對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)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(hào)放大倍數(shù)的準(zhǔn)確。在實(shí)際測試前，調(diào)節(jié)調(diào)零電路使輸出為零。用多路選擇芯片74HC4052完成對(duì)傳感器輸出電壓量程的選擇。蓄電瓶供應(yīng)+12V直流電壓，經(jīng)7805轉(zhuǎn)換為+5V電壓，ICL7660將+5V電壓轉(zhuǎn)換為-5V電壓，為OP27提供正負(fù)供電電壓。信號(hào)調(diào)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(chǎn)品特性：32位RISC性能、內(nèi)部存儲(chǔ)器、通用定時(shí)器、可遵循ARMFiRM規(guī)范的看門狗定時(shí)器、同步串行接口（SSI）、UART、ADC、模擬比較器、I2C、PWM、GPIO、靈活的復(fù)位源、工業(yè)范圍內(nèi)遵循RoHS的48腳LQFP封裝等等。

　　LM3S615最小系統(tǒng)，主要包括電源、復(fù)位電路、晶振、JTAG以及防JTAG失效電路等。最小系統(tǒng)如圖4所示。

　　1．4 LCD顯示模塊

　　本次設(shè)計(jì)直接采用EasyARM開發(fā)套件上提供的字符型LCD顯示屏TH3144，該LCD通過NXP公司的PCF8562LCD驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)。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(qū)動(dòng)任意靜態(tài)或包含4個(gè)背極以及最多32段的復(fù)用LCD。用于驅(qū)動(dòng)TH3144僅需使用S0～S10 11個(gè)段和BP0～BP3 4個(gè)背極。單片機(jī)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(chǔ)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(fā)芯片為核心，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。

　　（1）主要特點(diǎn)

　　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(jī)功耗2μA；超小體積，內(nèi)置環(huán)行天線，性能穩(wěn)定且不受外界影響；工作方式為半雙工，頻道切換時(shí)間小于650μs，內(nèi)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(jī)和SPI編程模式；c．發(fā)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(jī)通過SPI接口配置PTR8000的工作參數(shù)；在發(fā)射／接收模式下，單片機(jī)SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　3）狀態(tài)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(shù)據(jù)就緒輸出端口DR。

　　1．6 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　水位監(jiān)測系統(tǒng)界面采用LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP／IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。圖6為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面。

　　2 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

　　系統(tǒng)測試方法為：模擬地下水環(huán)境，在水深約為2米的水槽中進(jìn)行測試。測試前將傳感器接入，在不放入水中時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻使得系統(tǒng)顯示水位為0cm，取定量的水槽水樣進(jìn)行標(biāo)定。表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中h1為標(biāo)尺讀數(shù)，h2為顯示讀數(shù)。

　　圖7中縱坐標(biāo)是傳感器輸出電壓值Vout（單位：V），橫坐標(biāo)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(xiàn)良好的線性關(guān)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(shí)，可以測量一組數(shù)據(jù)，計(jì)算出系數(shù)，在軟件中進(jìn)行矯正后再次測量，達(dá)到預(yù)定的目的。

　　從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出顯示的水位深度與標(biāo)尺讀數(shù)存在著誤差，分析產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)椋篴．讀取卷尺數(shù)值時(shí)，存在人為的誤差；b．從傳感器到數(shù)據(jù)采集模塊之間導(dǎo)線對(duì)信號(hào)的損耗。

　　3 結(jié)論

　　本文利用LM3S615控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過LCD顯示，控制PTR8000無線模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送，上位機(jī)接收到信號(hào)后，通過串口傳輸給PC機(jī)，利用LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲(chǔ)，并繪制出實(shí)時(shí)水位曲線。本系統(tǒng)具有可靠、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，減輕了觀測人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供當(dāng)前水位信息，為決策者提供可靠的依據(jù)。適合于水庫、地下井等水位的監(jiān)測，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。