基于單片機(jī)的井況信息檢測系統(tǒng)

摘 要：因為人工對井樁等的井內(nèi)圖像信息、井深及井徑尺寸等測量存在數(shù)據(jù)難以獲取的問題，為此設(shè)計了一套基于單片機(jī)的井況信息檢測系統(tǒng)，主要功能包括井深和井徑的自動測量，以及井內(nèi)的視頻圖像信息的獲取。模擬測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互性，可以實時將井內(nèi)視頻信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時能較準(zhǔn)確地反饋井深和井徑尺寸。

關(guān)鍵詞：井況;自動測量;單片機(jī);人機(jī)交互

隨著工程建設(shè)及農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，井樁或者水井成為不可或缺的一種基礎(chǔ)形式。[1]對井樁或者水井施工質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的檢測是確保工程施工順利進(jìn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，井樁或水井的完整性和堅固性也與工程建筑或者農(nóng)業(yè)工作的安全性有著內(nèi)在聯(lián)系。[2，3]現(xiàn)在基本測量井的深度、直徑尺寸等都是人工測量，所以成本高昂，也比較危險。因此根據(jù)現(xiàn)實需求設(shè)計了一套基于單片機(jī)的井況信息檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動測量井深和井徑，并將井內(nèi)的視頻圖像信息實時傳送到上位機(jī)端，并由上位機(jī)自動調(diào)節(jié)設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計主要包括信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和信息顯示系統(tǒng)3部分，如圖1所示。信息采集系統(tǒng)分別包括視頻圖像信息采集、井深信息采集和井徑信息采集。

采用數(shù)字式攝像頭采集視頻圖像信息，由CPU控制WIFI無線發(fā)射模塊[4]將圖像信息調(diào)制到2.4GHz頻帶上，再對其進(jìn)行放大處理，最后通過定向天線發(fā)射出去;采用CPU控制激光頭測量設(shè)備[5]離井底的深度，通過CPU計算后由WIFI無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去;井徑采用4個超聲波測距模塊[6]測量直徑，通過CPU計算后由WIFI無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去;通過WIFI無線模塊將接收到的視頻、測量數(shù)據(jù)信息在信息顯示系統(tǒng)（上位機(jī)）顯示，并將上位機(jī)的控制信息由WIFI無線模塊發(fā)送出去。

2 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)信息采集系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、無線通信模塊、主芯片控制模塊三部分組成。通過上位機(jī)控制井上固定平臺自動升降來完成深度測量、井下數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

2.1 中央處理器

本設(shè)計中所采用的處理器為STM32F103單片機(jī)，[7]其使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，豐富的I/O端口，多達(dá)9個通信接口，性價比高。其功能：（1）將采集到的井中圖像、井深及井徑信息打包以后通過驅(qū)動模塊發(fā)送出去;（2）接收上位機(jī)發(fā)送的指令來執(zhí)行相應(yīng)動作。

2.2 電源模塊

電源采用LM2576S降壓穩(wěn)壓芯片，其主要功能將電源輸出的12V電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動CPU的3.3V電壓，驅(qū)動激光測距模塊、WIFI模塊及超聲波測距模塊的5V電壓，驅(qū)動電機(jī)和攝像頭的12V電壓。

2.3 無線通信模塊

在設(shè)計中無線模塊采用高通AR9331芯片，工作電壓為5V，但如果直接將視頻圖像通過WIFI模塊傳輸，接收端收到的視頻質(zhì)量較差，而且傳輸距離有限。因此在無線發(fā)送前添加一個放大器做放大處理。

2.4 傳感器模塊

為了實現(xiàn)對圖像、井深和井徑信息的采集，分別采用CMOS攝像頭模塊、高精度激光測距儀模塊及HC-SR04超聲波測距模塊。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

圖2為井中圖像、井深和井徑信息采集及發(fā)送流程。下位機(jī)以Keil-uVision4為開發(fā)平臺軟件開發(fā)，主要實現(xiàn)功能是：

（1）將采集到的井中圖像、井深和井徑信息通過WIFI模塊發(fā)送到上位機(jī);（2）解析上位機(jī)控制命令，并驅(qū)動各個模塊執(zhí)行命令。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

圖3為上位機(jī)控制流程，圖4為上位機(jī)單獨(dú)執(zhí)行接收和顯示程序。上位機(jī)以Visual Studio2008為開發(fā)平臺軟件開發(fā)。主要實現(xiàn)功能是：

（1）將采集到的井中圖像、井深和井徑信息通過WIFI模塊接收到上位機(jī)并顯示;（2）發(fā)送對下位機(jī)的控制指令。

4 實驗分析

系統(tǒng)以自制圓柱形井模型為測量對象，分為多種情況進(jìn)行井深和井徑數(shù)據(jù)采集與分析。對于井深測量可以分為井底無水與井底有水的情況進(jìn)行分析，對于井徑測量可以分為光滑井壁和粗糙井壁的情況進(jìn)行分析。實測與機(jī)測數(shù)據(jù)均采用多次測量，取其平均的辦法得出最終數(shù)據(jù)并進(jìn)行誤差分析。無水井深數(shù)據(jù)如表1所示，帶水井深數(shù)據(jù)如表2所示，光滑壁井徑數(shù)據(jù)如表3所示，粗糙壁井徑數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表1～4的平均值可分別算出，無水井深平均值誤差為1.61%，帶水井深平均值誤差為1.49%，光滑壁井徑平均值誤差為1.89%，粗糙壁井徑平均值誤差為0.70%。經(jīng)過多次測量和實驗，深度和井徑的平均誤差基本控制在2%以內(nèi);對比表3和表4，可以得出井壁粗糙時所測得的井徑數(shù)據(jù)較井壁光滑時的變化幅度較大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于單片機(jī)的井況信息檢測系統(tǒng)，通過功能需求設(shè)計軟硬件，該系統(tǒng)可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)井況的實時檢測和尺寸采集及對井部圖像的采集，人機(jī)交互能夠達(dá)到較好的效果。同時，相比人工操作，效率高，安全可靠。

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作者簡介：張彥農(nóng)（1991-），男，漢族，甘肅會寧人，本科，研究方向：單片機(jī)開發(fā)。