多通道遠程裂縫位移監測儀設計

中國是地質(zhì)災害最為嚴重的國家之一，滑坡、崩塌、泥石流在汛期頻繁發(fā)生，造成巨大的人員和經(jīng)濟損失。而對裂縫位移的監測是一種公認的地質(zhì)災害監測的手段，通過(guò)對地表裂縫位移變化的監測，可以提前探測滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生，達到預警的目的[1-2]。本文介紹了以線(xiàn)性位移傳感器、STM32微控制器和無(wú)線(xiàn)傳輸等技術(shù)構成的一套具有實(shí)時(shí)數據采集和處理能力的遠程裂縫位移監測儀器。

1 線(xiàn)性位移監測儀總體方案

裂縫位移監測儀采用線(xiàn)性位移傳感器感知裂縫的位移變化，把裂縫移動(dòng)的實(shí)際位移量轉換為電壓信號，原始位移電壓信號經(jīng)濾波、放大等調理電路，送入A/D轉換器，轉換為數字信號，經(jīng)STM32微控制器采集、處理后通過(guò)LCD顯示，并將數據存儲在本地U盤(pán)中。同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將數據發(fā)送到控制中心，以實(shí)現對裂縫位移的遠程自動(dòng)監測。本文設計的裂縫位移監測儀的總體方案如圖1所示。


2 裂縫位移監測儀的硬件結構

2.1 位移傳感器的選型及原理

裂縫位移監測儀主要監測的對象是裂縫，其具有緩變性的特點(diǎn)，針對該特征選用如圖2所示的KTC系列線(xiàn)性式位移傳感器。當被測裂縫發(fā)生變化時(shí)，帶動(dòng)線(xiàn)性位移傳感器拉桿產(chǎn)生位移，通過(guò)轉換模塊傳遞給滑動(dòng)式電阻器，滑動(dòng)式電阻器將位移物理量轉變?yōu)殡娦盘柫?，?jīng)電纜傳輸至裂縫位移監測儀主機，即可測出裂縫位移的變化。


2.2 傳感器恒流源電路

為了確保線(xiàn)性位移傳感器的位移變化信號具有長(cháng)距離傳輸的能力，在設計時(shí)，采用恒流源電路給線(xiàn)性位移傳感器供電，恒流源電路如圖3所示。恒流管采用DH906，通過(guò)調整電阻，將供電電流設定在0.3 mV，以確保傳感器的輸出電壓信號在裂縫位移監測儀的A/D所需要的0~3.3 V的電壓范圍。


2.3 繼電器驅動(dòng)電路

裂縫位移監測儀在設計上能同時(shí)監測8通道位移傳感器的位移變化，故選用8個(gè)松下繼電器TX2-5V作為多路開(kāi)關(guān)。繼電器驅動(dòng)電路如圖4所示，其中基極和發(fā)射極之間的10 kΩ電阻的作用是在沒(méi)有正向偏置電壓的情況下，保證基極的電壓為零，以防止三極管受外部的干擾而誤導通。光電耦合器TLP521-2是為了實(shí)現隔離，防止繼電器的開(kāi)、閉對系統造成干擾。


2.4 信號調理電路設計

信號調理電路由電壓跟隨器和一階無(wú)源RC低通濾波電路組成，如圖5所示。電壓跟隨器為整個(gè)監測儀系統提供高的輸入阻抗，同時(shí)也起到電壓隔離的作用。裂縫變化的位移信號為緩變的直流信號，因此，選用低通濾波電路濾除傳感器位移信號中的高頻干擾。為了確保監測儀系統在不連接傳感器時(shí)的顯示清零，在電路中將放電電阻設為100 kΩ。


2.5 微控制器電路

微控制器是裂縫位移監測儀的控制核心，繼電器通斷的控制、數據的采集處理、存儲及遠程發(fā)送均由微控制器控制。本位移監測儀選用STM32F103ZE作為儀器的控制核心[3-4]，其自帶的12 bit A/D轉換器用于轉換信號調理電路的輸出電壓；STM32F103ZE通過(guò)GPIO口與LCD1602和輸入鍵盤(pán)相接，其內部自帶的實(shí)時(shí)鐘模塊用于完成定時(shí)采集任務(wù)；其串口用于驅動(dòng)U盤(pán)存儲電路和遠程傳輸模塊電路。

U盤(pán)存儲電路選用南京沁恒公司生產(chǎn)的U盤(pán)文件讀寫(xiě)模塊，其支持FAT12、FAT16及FAT32文件系統，外圍電路簡(jiǎn)單、操作方便。遠程傳輸模塊內嵌完整的TCP/IP協(xié)議，將STM32F103ZE采集到的數據通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到監控中心，從而實(shí)現遠程監控[5]。

3 裂縫位移監測儀的軟件設計

裂縫位移監測儀的軟件主要針對STM32F103ZE進(jìn)行編程，具體實(shí)現監測儀的初始化、系統參數的輸入、位移信號的數據采集處理，然后將采集到的數據保存在U盤(pán)中，同時(shí)將采集到的數據通過(guò)遠程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其流程如圖6所示。

主程序為循環(huán)結構，在主循環(huán)結構中根據狀態(tài)標志位來(lái)判斷是進(jìn)行測量還是進(jìn)行參數設定。在測量分支程序中依次根據參數完成多通道的采集、數據保存、遠程發(fā)送功能；在系統參數設定分支中，依據狀態(tài)標志位完成時(shí)間設定、監測時(shí)間間隔設定、通道數設定和控制中心IP設定功能。狀態(tài)標志位的更改設計在中斷程序中，當有鍵按下時(shí)，主程序掛起，進(jìn)入按鍵中斷程序；在中斷程序中依據引起中斷的按鍵而更改狀態(tài)標志位，完成狀態(tài)標志位的更改后退出中斷程序，主程序再依據設定的狀態(tài)標志位實(shí)現測量和系統參數設定之間的轉換，從而完成位移監測的各項功能。

4 裂縫位移監測儀的模擬實(shí)驗

在完成裂縫位移監測儀的硬件焊接、軟件編寫(xiě)工作后，進(jìn)行了裂縫位移監測儀的室內模擬實(shí)驗。實(shí)驗時(shí)，將裂縫位移傳感器連接在監測儀的通道1上，然后模擬裂縫位移的變化，不斷拉動(dòng)位移傳感器的拉桿，同時(shí)用萬(wàn)用表和裂縫位移監測儀測量傳感器的輸出電壓。實(shí)驗測試數據如表1所示。

從表1的實(shí)驗數據中可以看出，自行研制的裂縫位移監測儀同萬(wàn)用表測量的數據非常接近，絕對誤差最大只有1.2 mV，可以滿(mǎn)足實(shí)際裂縫位移監測的需求。

本文利用線(xiàn)性位移傳感器、STM32F103ZE微控制器和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)研制了8通道的裂縫位移監測儀，并通過(guò)室內模擬實(shí)驗表明，位移監測儀能穩定工作，可以滿(mǎn)足裂縫位移的實(shí)際監測需求。在野外裂縫位移監測時(shí)，配以太陽(yáng)能裝置，即可實(shí)現對地表裂縫位移或地表滑坡位移的遠程、實(shí)時(shí)的自動(dòng)監測。