基于STM32F的地下水位監測系統設計

摘 要：地下水位過高會造成滑坡等地質災害，于是結合壓力式傳感器原理，采用RS485通信接口技術和標準Modbus通信協議，設計出了實時地下水位監測系統。以此達到了實時性強、靈敏度高、低成本等目的。

關鍵詞：地下水位；壓力式傳感器；RS485；Modbus

前言

眾所周知，滑坡一旦發生，會造成一定范圍內的人員傷亡和財產損失，也會對周邊道路交通造成阻塞。而造成滑坡的因素有很多，如：降雨量，地下水位，深部位移等。為避免以及減少滑坡造成的危害，對滑坡進行監測預警是必需的，其中地下水位的監測是滑坡監測預警中的重要環節。故對地下水位監測要做到信號傳輸穩定，適合較長距離探測，及時且有效，易于實現。

1 傳感器的選擇和使用

采用打井方式監測地下水位[1-2]，在此采用的傳感器是投入式壓力傳感器，根據傳感器所受到的液體靜壓與此時液體的高度所成的比例來測得水位。當把傳感器投入到被測液體中某一深度時，傳感器受到液體壓力公式為：

P=ρ×g×H+P0

P為傳感器所受液體壓力；ρ為被測液體密度；g為重力加速度（調試時按照9.8015處理）；P0為液面上大氣壓；H為傳感器投入液體的深度。當傳感器投入到被測液體的某一深度時，傳感器測得的實時壓力為：ρgH，根據計算就可得出水位。

此次選用的壓力式水位計傳感器型號為CYW15，它是投入式的液位傳感器，具有防雷擊、截屏干擾設計、抗干擾能力強。供電電壓為9～36VDC，過載能力為200%FS，響應頻率≤500Hz，防護等級為IP68。同時能夠很好的過壓保護和限流保護，穩定性好、響應速度快。該壓力式水位傳感器封裝性能好，探頭直徑為28mm，有兩種輸出接線方式：電流輸出接線（兩線制）和RS485（數字信號）輸出接線（四線制），本次采用四線制輸出。

2 系統設計

傳感器、傳感器信號處理電路、STM32F407、電源等構成了本次設計的地下水位實時監測系統，系統設計框圖如圖1所示。選用的主控芯片STM32F407，其微處理器工作頻率可達168MHz，內置了高速存儲器和4K字節的SRAM。為了提高轉換精度，ADC配有獨立電源，可以單獨濾波并屏蔽PCB上的噪聲。

2.1 傳感器信號處理電路

傳感器信號處理電路主要進行的是I/V轉換和信號分壓及其阻抗匹配，使傳感器輸出的電流信號進入到主控芯片的模擬量檢測輸入端，實現水位量到電壓值的轉換。傳感器輸出信號為小信號（4～20mA電流信號），為防止干擾以便于后續電路的處理，故需要對此電流信號進行放大將其轉換為0～5V的電壓信號。

使用I/V轉換電路進行信號轉換，此電路使用的是雙電源±12V供電，電源去耦采用1μF鉭電容。采用RCV420能夠使得輸出信號為0～5V，總變換誤差小于0.1%。RCV420具有兩個信號輸入端口+In和-In，輸入信號連接哪一個端口取決于輸入信號的極性。傳感器的輸入信號極性為正，連接的是+In。

2.2 A/D轉換

STM32F407微處理器內部集成的12位逐次逼近式ADC轉換模塊共有19路輸入，允許測量來自兩個內部來源，16個外部來源及VBAT通道的信號。每個通道可以進行單次、連續、掃描或者斷續模式的A/D轉換。轉換結果存儲在左對齊或者右對齊的16位存儲器中，ADC可以配置12位、10位、8位或6位分辨率。ADC模塊供電要求：2.4～3.6V下可以全速運行，當電壓降至1.8V時，以較慢的速度進行轉換。

由于STM32F407內部集成的ADC已經具有較高精度，足以滿足此次設計的要求，所以A/D轉換直接使用ADC模塊，把模擬信號轉換為數字信號。

2.3 電平轉換

本設計中采用半雙工的是RS485通信方式進行電平轉換，串口數據為9600bps，同時使用Modbus-RTU模式協議。Modbus-RTU模式的數據報文幀，在最大字節為256：設備地址為1字節、功能碼為1字節、CRC校驗碼為2字節和數據區為0～252字節。其中傳感器參數采集的Modbus-RTU協議模式功能碼為：0x03表示讀取寄存器；0x06表示寫單個寄存器；0x10表示寫多個寄存器。

3 實際應用

現利用PVC管實現地下水位模擬裝置，驗證本次設計的系統功能是否能實現。PVC管透明且高2m，刻度為2mm，通過改變傳感器在PVC里面放置的位置，以測得實時水位，實際應用測得的數據如表1所示。

從實際應用結果可以發現測量值和實際值存在一定誤差，隨著水位加深，相對誤差逐漸減小，最小相對誤差為1.2%。由于所選擇的傳感器的精度是0.1%FS，所以誤差在傳感器的精度范圍內，結果較為理想。在實際應用期間，數據信息能夠進行及時發送和返回，監測實時水位。同時本系統能夠穩定運行，在野外進行實地監測，監測結果理想。

4 結束語

文章利用STM32F407作為主控芯片對傳感器信號進行A/D轉換，采用RS485通信技術和Modbus通信協議對數據進行實時發送接收，最終實現地下水位的實時監測。本系統易于實現，減輕了人員的勞動強度，方便快捷，可提供可靠的數據，具有廣泛的應用領域。但在數據處理上還存在一定的誤差，后續還需進一步處理將精度提到更高。

參考文獻

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