基于地下水位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

孫成正

（安徽財貿(mào)職業(yè)學(xué)院電子信息系，合肥 230601）

0 引言

我國地下水資源占水資源總量的1/3，對經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展具有重要作用。但隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，地下水開采不合理、污染嚴(yán)重以及由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題（如地面沉降、地裂縫災(zāi)害等）日趨加?。?～2］。 因此，加強(qiáng)地下水的觀測將是一項十分緊迫的重要工作。

地下水位的動態(tài)觀測直接反映了地下水的變化及儲量，為有計劃地合理開采、利用地下水提供了原始資料。目前，我國大部分地區(qū)對于地下水位的檢測仍以傳統(tǒng)的人工定時測量（電表、測鐘、測繩等）為主［3］。人工測量不僅占用大量人力，還存有人為誤差。因此，實現(xiàn)地下水位自動監(jiān)測將是一項十分緊迫的重要工作。

1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計

系統(tǒng)的硬件包括：微處理器、A／D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲擴(kuò)展電路、日歷／時鐘電路、鍵盤及顯示接口電路、報警電路、串行通信電路和電源，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)選用的AT89S52單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS工藝8位單片機(jī)［4］。這種系列的單片機(jī)有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯得更為有用。

1．1 傳感器

一般的傳感器輸出信號（mV級）較小，經(jīng)過長距離傳輸后，測量結(jié)果的誤差很大。本系統(tǒng)的測量對象是地下水位，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，在選擇傳感器時主要考慮以下因素：傳感器的性能、可用性、能量消耗、成本、使用環(huán)境條件等。

本系統(tǒng)選用南京坤能中控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的KNMY型投入式液位變送器。該液位變送器內(nèi)部集成了一個壓力式水位傳感器和一個信號放大電路，測量信號在輸出之前先被放大，這樣測量出來的水位值精確度較高。該液位變送器的接口電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 System hardware structure

1．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)采用 Σ－Δ 型 A／D轉(zhuǎn)換器 AD7705。AD7705［5］是美國AD公司生產(chǎn)的16位A／D轉(zhuǎn)換器，它采用Σ－Δ工作原理，最高可實現(xiàn)16位無誤碼的良好性能，能將從傳感器接收到的輸入信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，而無需外部儀表放大器。當(dāng)電源電壓為5V、基準(zhǔn)電壓為2．5 V時，AD7705可對從0～20 mV到0～2．5 V的輸入信號進(jìn)行處理，還可處理±20 mV～±2．5 V的雙極性輸入信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 液位變送器接口電路Fig.2 Level transmitter interface circuit

圖3 AD7705硬件接口電路Fig.3 AD7705 hardware interface circuit

圖4 AT24C256硬件接口電路Fig.4 AT24C256 hardware interface circuit

1．3 存儲器

系統(tǒng)中需要保存的數(shù)據(jù)是水位值、采集時間和水位極限值，其中水位值占2個字節(jié)，采集時間占5個字節(jié)，水位極限值占1個字節(jié)。因地下水位的變化不是很快，每天測量兩次，那么每天至少需要14字節(jié)的存儲空間?？紤]到系統(tǒng)要在野外工作，存儲的時間較長，為滿足系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的要求，必須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)采用串行接口的EEPROM—AT24C256，它采用的是 I2C 總線接口技術(shù)［6～7］，接口電路如圖4所示。

1．4 顯示模塊

液晶顯示器由于具有體積小、重量輕、功耗低、使用方便等優(yōu)點，已經(jīng)日漸成為各種便攜式產(chǎn)品的理想顯示器。系統(tǒng)選用LCD12864液晶顯示器，其顯示電路如圖5所示。

1．5 串行通信接口電路的設(shè)計

目前，EIA－RS－232C是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口［8］。它是一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)，是在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。該標(biāo)準(zhǔn)最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)19．2 kb／s，最長傳送電纜可達(dá)15 m。對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD、串行輸出TXD和地線GND。MAX232芯片是MAXIM公司為滿足EIA－RS－232C標(biāo)準(zhǔn)而特別設(shè)計的，它具有功耗低、工作電源為單電源（＋5V）、硬件接口簡單等特點。MAX232與AT89S52的硬件接口電路如圖6所示。

圖5 AT89S52與CA12864B的接口電路Fig.5 Interface circuit of AT89S52 and CA12864B

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的下位機(jī)軟件部分全部采用C語言編程。根據(jù)系統(tǒng)所要完成的具體功能，下位機(jī)軟件設(shè)計主要包括：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、存儲模塊、按鍵模塊、時鐘模塊和液晶顯示模塊等。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，盡可能地優(yōu)化程序，合理地利用系統(tǒng)資源，并提高軟件的抗干擾能力。程序總體流程如圖7所示。

圖6 MAX232與AT89S52的硬件接口電路Fig.6 Hardware Interface circuit of MAX232 and AT89S52

圖7 程序總體流程圖Fig.7 Procedure overall flow chart

3 系統(tǒng)調(diào)試與驗證

3．1 實驗板功能調(diào)試

實驗板電路檢查無誤后，便可進(jìn)行功能調(diào)試。首先將編譯好的程序生成十六進(jìn)制（HEX）文件，通過編程器下載到單片機(jī)芯片中，其次將單片機(jī)芯片插入鎖緊底座，接入水位變送器，最后給系統(tǒng)通電。經(jīng)測試，系統(tǒng)功能符合預(yù)計的要求。

3．2 試驗及結(jié)果分析

因地下觀測井的直徑以50 mm較為常見，故用一個直徑為50 mm的管子模擬觀測井。管子是透明的，可以看到水的高度，以便人工測量實際的水位值，由此可以檢驗測量結(jié)果的正確性。在管中預(yù)先注入一定高度的水，將水位變送器放入水中，接通系統(tǒng)電源，系統(tǒng)開始工作。改變管中水的高度，就可測出不同的水位值。測量出來的數(shù)據(jù)會在液晶顯示屏上顯示出來。然后，通過按鍵、串行接口等可以繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，從而進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的可行性。試驗中，已知變送器的探頭與規(guī)定水平面的距離是6 m，通過測量不同的水位值，可以得出一系列的檢測結(jié)果。其中的10組數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，系統(tǒng)測量出來的水位值與實際值之間存在一定的誤差。造成誤差的原因主要有：水位變送器本身存在的誤差，A／D轉(zhuǎn)換器的精度，干擾造成的測量誤差等。此外，由于實際值是由人工測量的，本身也存在著一定的人為誤差。經(jīng)計算，實際相對誤差的范圍在0．33%～0．91%之間，可見整個系統(tǒng)的設(shè)計可以很好地完成預(yù)計的功能。

4 結(jié)語

結(jié)合水位的測量原理、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)和通信技術(shù)等，提出了對地下水位監(jiān)測系統(tǒng)比較完整的解決方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件的編寫。通過調(diào)試，系統(tǒng)比較準(zhǔn)確的測量地下水位的值，從而驗證了系統(tǒng)的可行性。

本系統(tǒng)具有操作方便、顯示直觀、可靠等特點，提高了地下水位觀測的自動化程度，能實時準(zhǔn)確地提供當(dāng)前水位信息，為決策者提供可靠的依據(jù)，適合于水庫、地下井等水位的監(jiān)測，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和使用價值。

表1 測量值與實際值Table 1 Measured value and real value

［1］魯榮安，亢海壽．地下水資源過量開采問題初步研究［J］．山西水利科技，1999（1）：30－33．

［2］趙輝，齊學(xué)斌．地下水資源管理新技術(shù)與新方法［J］．中國水利，2009（15）：30－32．

［3］呂中虎，許順芳．基于LM3S615的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子技術(shù)，2010（5）：34－35．

［4］郭東文．基于AT89C52單片機(jī)的液位檢測系統(tǒng)［J］．電子設(shè)計應(yīng)用，2003（7）：47－48．

［5］郝富春，王有全．基于AD7705的萬能信號輸入電路設(shè)計［J］．吉林化工學(xué)院學(xué)報，2011（9）：76－78．

［6］ 季宏鋒，吳軍輝，徐立鴻．I2C 總線技術(shù)及應(yīng)用實例［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2002（12）：26－28．

［7］馬如坡，王金全．LonWorks神經(jīng)元芯片的I2C總線技術(shù)［J］．自動化與儀器儀表，2007（5）：26－28．

［8］郭宏亮．PC機(jī)與AT89C51單片機(jī)的串行通信接口設(shè)計［J］．平原大學(xué)學(xué)報，2007（6）：117－118．