摘 要： 在線性位移傳感器,、STM32微控制器,、無線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種多通道的裂縫位移監(jiān)測儀,。重點(diǎn)介紹了該監(jiān)測儀器的總體設(shè)計方案及硬軟件結(jié)構(gòu),。該監(jiān)測儀器結(jié)構(gòu)簡單、功能實用,，能實現(xiàn)對裂縫的遠(yuǎn)程,、實時,、自動監(jiān)測。經(jīng)室內(nèi)模擬實驗,，驗證了位移監(jiān)測儀工作穩(wěn)定,，可以應(yīng)用于野外裂縫的實際監(jiān)測中。
關(guān)鍵詞： 線性位移傳感器,；數(shù)據(jù)采集,；STM32微控制器
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,。
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(diǎn)，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,。
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。
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。
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],。
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。
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,。
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。
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