基于LM3S615的地下水位監測系統設計

摘要：本文介紹了一種地下水位實(shí)時(shí)監測系統的設計方案。該系統主要包括信號采集、無(wú)線(xiàn)模塊、數據處理及存儲三部分。壓力傳感器獲得的信號進(jìn)行調理放大，送入主控制器LM3S615進(jìn)行A／D轉換等處理，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊PTR8000發(fā)送到室內監控室。PTR8000接收端接收到數據后通過(guò)串口RS232發(fā)送到上位機，人機界面通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現，可以對數據進(jìn)行處理、顯示及存儲等。該方案對提高監測系統的便攜性，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)濟社會(huì )發(fā)展中具有重要作用。大規模地下水開(kāi)發(fā)造成局部地區地下水超采，誘發(fā)地質(zhì)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(diǎn)仍以傳統的人工定時(shí)測量方法(電表、測鐘、測繩等)為主，因而對于某些突發(fā)性的地下水位異常不能起到很好的預警作用，同時(shí)也會(huì )占用大量的人力，且存在人為誤差，因此實(shí)現地下水位重點(diǎn)監測點(diǎn)的自動(dòng)監測有利于提高各種地質(zhì)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(jīng)調理放大后，送入主控制器LM3S6l5，經(jīng)內部AD轉換等處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊PTR8000發(fā)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(guò)串口RS232發(fā)送到上位機，人機界面通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現，可以對數據進(jìn)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(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、無(wú)線(xiàn)接收模塊、串口通信模塊以及上位機模塊等8個(gè)部分。發(fā)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(kāi)發(fā)板上的配套LCD。無(wú)線(xiàn)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(lái)控制通信。上位機界面采用LabVIEW軟件編寫(xiě)。
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(mǎn)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(shí)，傳感器有個(gè)固定偏移電壓約為200mV，設計電路時(shí)，設計一個(gè)減法器將其減掉，每次測量前通過(guò)調節可變電阻，使傳感器輸入為0時(shí)，輸出電壓也為0。設計兩檔(×1，×10)對傳感器輸出電壓進(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，保證信號放大倍數的準確。在實(shí)際測試前，調節調零電路使輸出為零。