基于單片機的振動數據實時采集系統

趙燕燕

摘 要：地震動數據采集系統的任務是通過前端傳感系統檢測環境中的震動信號，對獲得的數據進行實時處理，以確定環境中目標對象的物理信息等。文章以單片機為基礎，對震動數據實時采集進行研究探討。系統利用傾角、液位傳感器、控制電路、GPRS無線傳輸及電源模塊等組成，對易發生山體滑坡地區實時信息采集與監測。該系統抗干擾性強、無線控制，適用于滑坡多發事故區的地震動測試試驗場合。

關鍵詞：單片機；震動數據；數據采集；山體滑坡

中圖分類號：TP274+.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0017-02

Abstract： The task of the seismic data acquisition system is to detect the seismic signal in the environment through the front-end sensor system and process the obtained data in real time in order to determine the physical information of the target object in the environment. Based on the single-chip microcomputer， the real-time acquisition of vibration data is studied and discussed in this paper. The system makes use of dip angle， liquid level sensor， control circuit， GPRS wireless transmission and power module to collect and monitor the real-time information of landslide prone areas. The system has strong anti-interference and wireless control， and is suitable for testing and testing ground motion in the area with frequent landslide accidents.

Keywords： single chip microcomputer； vibration data； data acquisition； landslide

1 概述

我國地域遼闊，地形地勢復雜多樣。很多地區由于植被的破壞導致水土流失，其山體土坡在暴雨潮濕天氣極易發生山體滑坡事故，給我們的財產生命安全和公路交通帶來巨大的威脅。我們無力阻止災害的發生，但是我們可以采取一定的手段來減緩危害，這就要求我們要自然災害有著一定的“預知”。事實上，有些自然災害的發生是有前兆的，我們可根據收集得到的數據信息進行回避[1]。我國幅員遼闊，如果單靠人力監控不太現實。為及早發現滑坡降低損失，需要建立地質災害檢測預警系統工程，數據收集系統在這樣的環境之中的作用尤為重要。

因此，可以在一些易滑坡地點安置傳感器，一旦出現滑坡前兆，傳感器即可發出報警信號，可根據信號的不同判斷滑坡程度的大小，及早發現滑坡，及時撤離滑坡區域人員，最大程度避免滑坡造成的生命財產損失。因此，本文提出以單片機為基礎，采用傾角傳感器檢測現場環境的震動數據[2]，構建實時數據采集系統，從而進行滑坡地質災害的檢測研究。

2 總體設計

本文設計的主要思想是首先通過多種靈敏度比較高的傳感器，采集到地質災害所產生的微弱的山體或者巖石等的變化信號，經過變換傳輸到單片機控制單元，并通過無線傳輸將采集到的數據送到上位機進行分析處理，并作出判斷顯示狀態信息。若有異常現象，則啟動報警設備，進入警示狀態。其系統結構框圖如圖1所示。

山體滑坡的監測主要依靠兩種傳感器的作用，即液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發生危險的區域，沿著山勢走向豎直設置多個孔洞。每個孔洞在最下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署多個傾角傳感器。根據造成山體滑坡主要因素，確定地下水位深度為顯示山體滑坡危險度的第一指標，由液位傳感器采集并由無線網絡發送。通過傾角傳感器可監測山體的運動狀況，山體由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構成和侵蝕程度不同，其運動速度不同。發生這種現象時，部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數據。

部署的傳感器將環境的液位、角度信號轉化成為對應的電信號，經信號調理電路變化之后得到的電信號傳送給單片機，并進行控制、采集及保存信息，采集到的信息將會通過單片機的串口通信與GPRS無線發送模塊進行無線傳輸，上位機PC機可接收到從無線模塊發送過來的信號，通過串口模塊與其進行連接，使PC機實時的了解地質的最新狀況，若有地質災害情況則進行災害預警。

3 硬件電路設計

3.1 前端探測部分

傾角傳感器可監測山體的運動狀況，本文選取一款小尺寸、低功耗、三軸加速度傳感器ADXL327，可用來測量土坡傾斜的靜態加速度，以及運動、沖擊或震動導致的動態加速度，可及時有效的采集山體滑坡動態信息[3]。其雨量的檢測，選用PTP601防雷投入式液位傳感器[4]，該傳感器平穩性高，可預防雷擊，靈敏度高，具有良好防潮性，適合于對地底下的水位測量與控制。當液位傳感器測量得到水壓后，可算得此時液體的水位，進行此數據的采集。其輸出信號，可以經過簡單的信號調理后送入C8051F020進行A/D轉換。

3.2 控制單元部分

數據采集系統中，單片機作為硬件控制核心芯片，主要用來控制數據的采集工作。根據控制要求和環境因素，系統單片機選用低功耗、大容量、自帶A/D轉換的C8051F020芯片。C8051F020處理器采用高速8051微控制器內核，指令結構為流水線方式，執行指令速度可達25MIPS，具有4K+256字節的RAM，64K flash ROM，省去了外擴ROM，簡化了電路設計，也節省了CPU資源。C8051F020處理器具有8組8位I/O口，所有端口均耐5V電壓，可按需將端口設置為I/O總線和I/O口使用，方便系統的構成和軟件編程。

本文通過傳感器對環境監測數據進行采集，通過信號調理電路進行放大與處理，轉換為單片機可以接收的標準信號，送入到單片機內部進行A/D轉換成為數字信號，將其轉換的數字信號信息保存到單片機的RAM中，在上位機發出讀取數據命令時，將數據打包后通過串口電路發送至GPRS模塊，無線傳送到上位機。

3.3 數據傳輸部分

本文設計的數據采集系統分為上位機及下位機兩個部分，其中上位機是PC機，主要用于用戶對監測機進行檢測與控制，下位機是單片機構成的數據采集系統。其中上位機與下位機的進行數據傳輸的方法主要是采用GPRS來進行無線數據的傳送，其傳輸簡單、可靠、穩定，系統通過RS232串口與GPRS模塊連接。

GPRS模塊選用西門子MC52iR3，它具有低功耗模式，在休眠模式下工作電流僅為3mA，支持TCP/IP協議棧，通過GPRS網絡以TCP/IP數據包方式將現場采集到的監測數據實時傳輸到遠程的上位機。

3.4 電源部分

此設計需要給各個模塊都提供穩定、固定的電源電壓，系統的電源電壓有220V、24V、5V、3.3V。其中，上位機是放置監測房中的，故可用220V的交流電直接對其進行供電；工作在野外環境的傳感器部分，作為采集地質災害的主要采集工具，可選擇采用24V的鉛蓄電池，對液位傳感器PTP601直接進行供電。電源24V經DC28S5電源模塊變換后輸出+5V為串口通信模塊供電，經三端穩壓器LT1117-3.3 變換后輸出+3.3V，為單片機C8051F020和傾角傳感器ADX327供電。

4 軟件設計

在本設計中，首先系統自檢，由上位機向下位機下發狀態查詢指令，對下位機如：單片機的工作溫度、電池的電壓等參數進行查看；其次，在正常狀態下，由上位機向下位機發送系統初始化指令，完成相應參數初始化設置，使多個下位機同時進行數據采集狀態；最后，采用定時器查詢方式讀取采集到的數據。此系統一直進行循環，實現系統在線監測，其系統工作流程圖如圖2所示。

5 結束語

本文基于山體滑坡地質災害監測，采用三軸加速度傳感器和液位傳感器采集數據，利用C8051F020單片機內部資源實現A/D轉換、實時數據采集，并將數據通過GPRS無線傳輸到遠程上位機，這種數據采集系統對山區山體滑坡的在線監測、及時預警，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]周發江.地震危害及地震預警研究[J].改革與開放，2010（4）：108.

[2]付小寧，嚴正國.加速度過阻尼地震檢波器測量的研究[J].傳感器技術，2004，23（9）：16-17.

[3]宗赤.基于加速度傳感器的地震檢波器設計[J].新器件新技術，2011（1）：49-51.

[4]鐘惠琴.基于S3C2440的礦井智能水位監測儀的設計[J].工礦自動化，2010（4）：76-79.