基于LM3S615的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文介紹了一種地下水位實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要包括信號采集、無線模塊、數(shù)據(jù)處理及存儲三部分。壓力傳感器獲得的信號進(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)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲等。該方案對提高監(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(yù)警作用，同時也會占用大量的人力，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)的自動監(jiān)測有利于提高各種地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報、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)計方案
1．1 方案概述
此系統(tǒng)的基本設(shè)計思路是：前端利用差壓式傳感器MPX5100DP采集原始信號，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)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲等。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(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 信號采集
(1)壓力傳感器
MPX5100DP是一種集成硅壓力傳感器，自帶片內(nèi)信號調(diào)理功能和溫度補(bǔ)償功能，輸出為高精度模擬電壓信號。該傳感器特別針對帶內(nèi)置A／D的微控制器。壓力范圍為0～100kPa，對應(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)計成正壓式傳感器，即P1>P2，P=Pl-P2。
(2)信號調(diào)理電路設(shè)計
當(dāng)P1=P2時，傳感器有個固定偏移電壓約為200mV，設(shè)計電路時，設(shè)計一個減法器將其減掉，每次測量前通過調(diào)節(jié)可變電阻，使傳感器輸入為0時，輸出電壓也為0。設(shè)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(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。