基于MPX5100DP和LM3S6l5实现水位自动监测系统的应用方案

作者：吕中虎，许顺芳，肖毅，耿丽霞
我国地下水占水资源总量的三分之一，年供水量占总供水量的近20％，在支撑经济社会发展中具有重要作用。大规模地下水开发造成局部地区地下水超采，诱发地质灾害。如：地面沉降、地裂缝灾害等。
如今我国对于地下水位的监测，大部分监测点仍以传统的人工定时测量方法（电表、测钟、测绳等）为主，因而对于某些突发性的地下水位异常不能起到很好的预警作用，同时也会占用大量的人力，且存在人为误差，因此实现地下水位重点监测点的自动监测有利于提高各种地质灾害的预报、预测。
采用arm作为主控器能够降低功耗，并为建立无线网络通信奠定了基础，使系统更高效、可靠。
1 设计方案
1．1 方案概述
此系统的基本设计思路是：前端利用差压式传感器mpx5100dp采集原始信号，经调理放大后，送入主控制器lm3s6l5，经内部ad转换等处理后，通过无线通信模块ptr8000发送到室内监控室，ptr8000接收端接收到数据后，在控制器的控制下，通过串口rs232发送到上位机，人机界面通过labview软件实现，可以对数据进行处理、显示及存储等。系统框图如图1所示。
此系统主要包括电源模块、信号调理模块、adc模块、lcd模块、无线发射模块、无线接收模块、串口通信模块以及上位机模块等8个部分。发射端电源因为要在野外工作，由12v电瓶供电；接收端电源采用usb供电。信号调理模块主要包括调零电路、多档放大电路、低通滤波电路。adc和lcd模块分别采用lm3s615内置的10位ad和lm3s615开发板上的配套lcd。无线发射接收模块采用ptr8000模块，半双工工作方式。串口通信模块有lm3s系列第一款控制器lm3s10l来控制通信。上位机界面采用labview软件编写。
1．2 信号采集
（1）压力传感器
mpx5100dp是一种集成硅压力传感器，自带片内信号调理功能和温度补偿功能，输出为高精度模拟电压信号。该传感器特别针对带内置a／d的微控制器。压力范围为0～100kpa，对应水位范围为0～10m，满量程输出为4．7v，灵敏度为45mv／kpa。图2为mpx5100dp的实物图和推荐退耦电路。
mpx5100dp的上部有两个孔：pl孔为压力孔，直接与水接触；p2孔为真空孔，通入空气。电压的变化与p1和p2的差值p的变化成正比，mpx系列被设计成正压式传感器，即p1＞p2，p=pl-p2。
（2）信号调理电路设计
当p1=p2时，传感器有个固定偏移电压约为200mv，设计电路时，设计一个减法器将其减掉，每次测量前通过调节可变电阻，使传感器输入为0时，输出电压也为0。设计两档（×1，×10）对传感器输出电压进行放大，这里选用低噪声、低偏移电压的op27，并且选用了精密的放大电阻18k和2k，保证信号放大倍数的准确。在实际测试前，调节调零电路使输出为零。
用多路选择芯片74hc4052完成对传感器输出电压量程的选择。蓄电瓶供应+12v直流电压，经7805转换为+5v电压，icl7660将+5v电压转换为-5v电压，为op27提供正负供电电压。信号调理电路如图3所示。
1．3 控制器
选择lm3s615微控制器，其具有以下产品特性：32位risc性能、内部存储器、通用定时器、可遵循armfirm规范的看门狗定时器、同步串行接口（ssi）、uart、adc、模拟比较器、i2c、pwm、gpio、灵活的复位源、工业范围内遵循rohs的48脚lqfp封装等等。
lm3s615最小系统，主要包括电源、复位电路、晶振、jtag以及防jtag失效电路等。最小系统如图4所示。
1．4 lcd显示模块
本次设计直接采用easyarm开发套件上提供的字符型lcd显示屏th3144，该lcd通过nxp公司的pcf8562lcd驱动芯片驱动。pcf8562是一种通用的外围器件，能为任何微控制器／微处理器以及多种lcd提供接口。它能直接驱动任意静态或包含4个背极以及最多32段的复用lcd。用于驱动th3144仅需使用s0～s10 11个段和bp0～bp3 4个背极。单片机通过两线的i2c，总线通讯通道与pcf8562通信。i2c字符型lcd显示电路以及i2c存储电路如图5所示。
1．5 无线通信模块（ptr8000）
选用无线通信模块ptr8000，它以nrf905无线收发芯片为核心，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。
（1）主要特点
高性能嵌入式无线模块，多频道多频段，1．9～3．6v低电压工作，待机功耗2μa；超小体积，内置环行天线，性能稳定且不受外界影响；工作方式为半双工，频道切换时间小于650μs，内置pcb天线，开阔地传输距离约100m左右。
（2）硬件接口
1）模式控制
模式控制接口由trx ce、tx en、pwr组成，控制ptr8000的四种工作模式：a．掉电和spi编程模式；b．待机和spi编程模式；c．发射模式；d．接收模式。各种模式的控制模式见表1所示。
2）spi接口
spi接口由sck、miso、mosi以及csn组成。在配置模式下，单片机通过spi接口配置ptr8000的工作参数；在发射／接收模式下，单片机spi接口发送和接收数据。
3）状态输出接口
提供载波检测输出端口cd、地址匹配输出端口am、数据就绪输出端口dr。
1．6 上位机界面设计
水位监测系统界面采用labview软件进行设计。labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。内置了便于应用tcp／ip、activex等软件标准的库函数。图6为设计的系统界面。
2 系统测试结果及分析
系统测试方法为：模拟地下水环境，在水深约为2米的水槽中进行测试。测试前将传感器接入，在不放入水中时，调节可变电阻使得系统显示水位为0cm，取定量的水槽水样进行标定。表2为实验数据，其中h1为标尺读数，h2为显示读数。
图7中纵坐标是传感器输出电压值vout（单位：v），横坐标为水位h（单位：cm），由图可以看出传感器输出电压与水位呈现良好的线性关系。由于不同的地方重力加速度和地下水密度都不完全相同，在每次测量时，可以测量一组数据，计算出系数，在软件中进行矫正后再次测量，达到预定的目的。
从实验数据可以看出显示的水位深度与标尺读数存在着误差，分析产生误差的主要原因为：a．读取卷尺数值时，存在人为的误差；b．从传感器到数据采集模块之间导线对信号的损耗。
3 结论
本文利用lm3s615控制器对信号进行处理并通过lcd显示，控制ptr8000无线模块对数据进行实时发送，上位机接收到信号后，通过串口传输给pc机，利用labview软件对数据进行处理存储，并绘制出实时水位曲线。本系统具有可靠、方便快捷等优点，减轻了观测人员的劳动强度，且能实时准确地提供当前水位信息，为决策者提供可靠的依据。适合于水库、地下井等水位的监测，具有广泛的应用领域。