基于STM32F的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：地下水位過高會造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，于是結(jié)合壓力式傳感器原理，采用RS485通信接口技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議，設(shè)計出了實時地下水位監(jiān)測系統(tǒng)。以此達(dá)到了實時性強、靈敏度高、低成本等目的。

關(guān)鍵詞：地下水位；壓力式傳感器；RS485；Modbus

前言

眾所周知，滑坡一旦發(fā)生，會造成一定范圍內(nèi)的人員傷亡和財產(chǎn)損失，也會對周邊道路交通造成阻塞。而造成滑坡的因素有很多，如：降雨量，地下水位，深部位移等。為避免以及減少滑坡造成的危害，對滑坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警是必需的，其中地下水位的監(jiān)測是滑坡監(jiān)測預(yù)警中的重要環(huán)節(jié)。故對地下水位監(jiān)測要做到信號傳輸穩(wěn)定，適合較長距離探測，及時且有效，易于實現(xiàn)。

1 傳感器的選擇和使用

采用打井方式監(jiān)測地下水位[1-2]，在此采用的傳感器是投入式壓力傳感器，根據(jù)傳感器所受到的液體靜壓與此時液體的高度所成的比例來測得水位。當(dāng)把傳感器投入到被測液體中某一深度時，傳感器受到液體壓力公式為：

P=ρ×g×H+P0

P為傳感器所受液體壓力；ρ為被測液體密度；g為重力加速度（調(diào)試時按照9.8015處理）；P0為液面上大氣壓；H為傳感器投入液體的深度。當(dāng)傳感器投入到被測液體的某一深度時，傳感器測得的實時壓力為：ρgH，根據(jù)計算就可得出水位。

此次選用的壓力式水位計傳感器型號為CYW15，它是投入式的液位傳感器，具有防雷擊、截屏干擾設(shè)計、抗干擾能力強。供電電壓為9～36VDC，過載能力為200%FS，響應(yīng)頻率≤500Hz，防護等級為IP68。同時能夠很好的過壓保護和限流保護，穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快。該壓力式水位傳感器封裝性能好，探頭直徑為28mm，有兩種輸出接線方式：電流輸出接線（兩線制）和RS485（數(shù)字信號）輸出接線（四線制），本次采用四線制輸出。

2 系統(tǒng)設(shè)計

傳感器、傳感器信號處理電路、STM32F407、電源等構(gòu)成了本次設(shè)計的地下水位實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。選用的主控芯片STM32F407，其微處理器工作頻率可達(dá)168MHz，內(nèi)置了高速存儲器和4K字節(jié)的SRAM。為了提高轉(zhuǎn)換精度，ADC配有獨立電源，可以單獨濾波并屏蔽PCB上的噪聲。

2.1 傳感器信號處理電路

傳感器信號處理電路主要進(jìn)行的是I/V轉(zhuǎn)換和信號分壓及其阻抗匹配，使傳感器輸出的電流信號進(jìn)入到主控芯片的模擬量檢測輸入端，實現(xiàn)水位量到電壓值的轉(zhuǎn)換。傳感器輸出信號為小信號（4～20mA電流信號），為防止干擾以便于后續(xù)電路的處理，故需要對此電流信號進(jìn)行放大將其轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號。

使用I/V轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，此電路使用的是雙電源±12V供電，電源去耦采用1μF鉭電容。采用RCV420能夠使得輸出信號為0～5V，總變換誤差小于0.1%。RCV420具有兩個信號輸入端口+In和-In，輸入信號連接哪一個端口取決于輸入信號的極性。傳感器的輸入信號極性為正，連接的是+In。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換

STM32F407微處理器內(nèi)部集成的12位逐次逼近式ADC轉(zhuǎn)換模塊共有19路輸入，允許測量來自兩個內(nèi)部來源，16個外部來源及VBAT通道的信號。每個通道可以進(jìn)行單次、連續(xù)、掃描或者斷續(xù)模式的A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在左對齊或者右對齊的16位存儲器中，ADC可以配置12位、10位、8位或6位分辨率。ADC模塊供電要求：2.4～3.6V下可以全速運行，當(dāng)電壓降至1.8V時，以較慢的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

由于STM32F407內(nèi)部集成的ADC已經(jīng)具有較高精度，足以滿足此次設(shè)計的要求，所以A/D轉(zhuǎn)換直接使用ADC模塊，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2.3 電平轉(zhuǎn)換

本設(shè)計中采用半雙工的是RS485通信方式進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，串口數(shù)據(jù)為9600bps，同時使用Modbus-RTU模式協(xié)議。Modbus-RTU模式的數(shù)據(jù)報文幀，在最大字節(jié)為256：設(shè)備地址為1字節(jié)、功能碼為1字節(jié)、CRC校驗碼為2字節(jié)和數(shù)據(jù)區(qū)為0～252字節(jié)。其中傳感器參數(shù)采集的Modbus-RTU協(xié)議模式功能碼為：0x03表示讀取寄存器；0x06表示寫單個寄存器；0x10表示寫多個寄存器。

3 實際應(yīng)用

現(xiàn)利用PVC管實現(xiàn)地下水位模擬裝置，驗證本次設(shè)計的系統(tǒng)功能是否能實現(xiàn)。PVC管透明且高2m，刻度為2mm，通過改變傳感器在PVC里面放置的位置，以測得實時水位，實際應(yīng)用測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從實際應(yīng)用結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)測量值和實際值存在一定誤差，隨著水位加深，相對誤差逐漸減小，最小相對誤差為1.2%。由于所選擇的傳感器的精度是0.1%FS，所以誤差在傳感器的精度范圍內(nèi)，結(jié)果較為理想。在實際應(yīng)用期間，數(shù)據(jù)信息能夠進(jìn)行及時發(fā)送和返回，監(jiān)測實時水位。同時本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，在野外進(jìn)行實地監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果理想。

4 結(jié)束語

文章利用STM32F407作為主控芯片對傳感器信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用RS485通信技術(shù)和Modbus通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時發(fā)送接收，最終實現(xiàn)地下水位的實時監(jiān)測。本系統(tǒng)易于實現(xiàn)，減輕了人員的勞動強度，方便快捷，可提供可靠的數(shù)據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但在數(shù)據(jù)處理上還存在一定的誤差，后續(xù)還需進(jìn)一步處理將精度提到更高。

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