多通道裂縫位移監(jiān)測儀的研制＊

張曉飛，郝文杰，張 青，史彥新，孟憲瑋，韓永溫

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

中國是地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)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(jì)損失。而對裂縫位移的監(jiān)測是一種公認(rèn)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的手段，通過對地表裂縫位移變化的監(jiān)測，可以提前探測滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，達(dá)到預(yù)警的目的[1-2]。本文介紹了以線性位移傳感器、STM32微控制器和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)構(gòu)成的一套具有實時數(shù)據(jù)采集和處理能力的遠(yuǎn)程裂縫位移監(jiān)測儀器。

1 線性位移監(jiān)測儀總體方案

裂縫位移監(jiān)測儀采用線性位移傳感器感知裂縫的位移變化，把裂縫移動的實際位移量轉(zhuǎn)換為電壓信號，原始位移電壓信號經(jīng)濾波、放大等調(diào)理電路，送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)STM32微控制器采集、處理后通過LCD顯示，并將數(shù)據(jù)存儲在本地U盤中。同時通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，以實現(xiàn)對裂縫位移的遠(yuǎn)程自動監(jiān)測。本文設(shè)計的裂縫位移監(jiān)測儀的總體方案如圖1所示。

圖1 裂縫位移監(jiān)測儀總體方案框圖

2 裂縫位移監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 位移傳感器的選型及原理

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

圖2 KTC線性式位移傳感器

2.2 傳感器恒流源電路

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

圖3 傳感器恒流源電路設(shè)計圖

2.3 繼電器驅(qū)動電路

裂縫位移監(jiān)測儀在設(shè)計上能同時監(jiān)測8通道位移傳感器的位移變化，故選用8個松下繼電器TX2-5V作為多路開關(guān)。繼電器驅(qū)動電路如圖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(dǎo)通。光電耦合器TLP521-2是為了實現(xiàn)隔離，防止繼電器的開、閉對系統(tǒng)造成干擾。

圖4 繼電器驅(qū)動電路

2.4 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路由電壓跟隨器和一階無源RC低通濾波電路組成，如圖5所示。電壓跟隨器為整個監(jiān)測儀系統(tǒng)提供高的輸入阻抗，同時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(jiān)測儀系統(tǒng)在不連接傳感器時的顯示清零，在電路中將放電電阻設(shè)為100 kΩ。

2.5 微控制器電路

微控制器是裂縫位移監(jiān)測儀的控制核心，繼電器通斷的控制、數(shù)據(jù)的采集處理、存儲及遠(yuǎn)程發(fā)送均由微控制器控制。本位移監(jiān)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(zhuǎn)換器用于轉(zhuǎn)換信號調(diào)理電路的輸出電壓；STM32F103ZE通過GPIO口與LCD1602和輸入鍵盤相接，其內(nèi)部自帶的實時鐘模塊用于完成定時采集任務(wù)；其串口用于驅(qū)動U盤存儲電路和遠(yuǎn)程傳輸模塊電路。

U盤存儲電路選用南京沁恒公司生產(chǎn)的U盤文件讀寫模塊，其支持 FAT12、FAT16及FAT32文件系統(tǒng)，外圍電路簡單、操作方便。遠(yuǎn)程傳輸模塊內(nèi)嵌完整的TCP/IP協(xié)議，將STM32F103ZE采集到的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。

圖5 信號調(diào)理電路

3 裂縫位移監(jiān)測儀的軟件設(shè)計

裂縫位移監(jiān)測儀的軟件主要針對STM32F103ZE進(jìn)行編程，具體實現(xiàn)監(jiān)測儀的初始化、系統(tǒng)參數(shù)的輸入、位移信號的數(shù)據(jù)采集處理，然后將采集到的數(shù)據(jù)保存在U盤中，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫，其流程如圖6所示。

圖6 位移監(jiān)測儀的軟件流程圖

主程序為循環(huán)結(jié)構(gòu)，在主循環(huán)結(jié)構(gòu)中根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位來判斷是進(jìn)行測量還是進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。在測量分支程序中依次根據(jù)參數(shù)完成多通道的采集、數(shù)據(jù)保存、遠(yuǎn)程發(fā)送功能；在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定分支中，依據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位完成時間設(shè)定、監(jiān)測時間間隔設(shè)定、通道數(shù)設(shè)定和控制中心IP設(shè)定功能。狀態(tài)標(biāo)志位的更改設(shè)計在中斷程序中，當(dāng)有鍵按下時，主程序掛起，進(jìn)入按鍵中斷程序；在中斷程序中依據(jù)引起中斷的按鍵而更改狀態(tài)標(biāo)志位，完成狀態(tài)標(biāo)志位的更改后退出中斷程序，主程序再依據(jù)設(shè)定的狀態(tài)標(biāo)志位實現(xiàn)測量和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定之間的轉(zhuǎn)換，從而完成位移監(jiān)測的各項功能。

4 裂縫位移監(jiān)測儀的模擬實驗

在完成裂縫位移監(jiān)測儀的硬件焊接、軟件編寫工作后，進(jìn)行了裂縫位移監(jiān)測儀的室內(nèi)模擬實驗。實驗時，將裂縫位移傳感器連接在監(jiān)測儀的通道1上，然后模擬裂縫位移的變化，不斷拉動位移傳感器的拉桿，同時用萬用表和裂縫位移監(jiān)測儀測量傳感器的輸出電壓。實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裂縫位移監(jiān)測儀的模擬實驗數(shù)據(jù)

從表1的實驗數(shù)據(jù)中可以看出，自行研制的裂縫位移監(jiān)測儀同萬用表測量的數(shù)據(jù)非常接近，絕對誤差最大只有1.2 mV，可以滿足實際裂縫位移監(jiān)測的需求。

本文利用線性位移傳感器、STM32F103ZE微控制器和無線傳輸技術(shù)研制了8通道的裂縫位移監(jiān)測儀，并通過室內(nèi)模擬實驗表明，位移監(jiān)測儀能穩(wěn)定工作，可以滿足裂縫位移的實際監(jiān)測需求。在野外裂縫位移監(jiān)測時，配以太陽能裝置，即可實現(xiàn)對地表裂縫位移或地表滑坡位移的遠(yuǎn)程、實時的自動監(jiān)測。

[1]蔣凡，張青，曹修定.多通道滑坡位移監(jiān)測儀的研制[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2008(4).

[2]王洪輝，庹先國，許強(qiáng)，等.山體裂縫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2010(1).

[3]武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計[J].電子器件，2009(5).

[4]孫啟富，孫運強(qiáng)，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設(shè)計與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(10).

[5]趙強(qiáng)，鐘佑明，周建庭.基GPRS的嵌入式橋梁遠(yuǎn)程裂縫監(jiān)測系統(tǒng)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(5).