多通道裂縫位移監測儀的研制＊

張曉飛，郝文杰，張 青，史彥新，孟憲瑋，韓永溫

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

中國是地質災害最為嚴重的國家之一，滑坡、崩塌、泥石流在汛期頻繁發生，造成巨大的人員和經濟損失。而對裂縫位移的監測是一種公認的地質災害監測的手段，通過對地表裂縫位移變化的監測，可以提前探測滑坡等地質災害的發生，達到預警的目的[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等技術構成的一套具有實時數據采集和處理能力的遠程裂縫位移監測儀器。

1 線性位移監測儀總體方案

裂縫位移監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換為電壓信號，原始位移電壓信號經濾波、放大等調理電路，送入A/D轉換器，轉換為數字信號，經STM32微控制器采集、處理后通過LCD顯示，并將數據存儲在本地U盤中。同時通過無線傳輸模塊將數據發送到控制中心，以實現對裂縫位移的遠程自動監測。本文設計的裂縫位移監測儀的總體方案如圖1所示。

圖1 裂縫位移監測儀總體方案框圖

2 裂縫位移監測儀的硬件結構

2.1 位移傳感器的選型及原理

裂縫位移監測儀主要監測的對象是裂縫，其具有緩變性的特點，針對該特征選用如圖2所示的KTC系列線性式位移傳感器。當被測裂縫發生變化時，帶動線性位移傳感器拉桿產生位移，通過轉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變為電信號量，經電纜傳輸至裂縫位移監測儀主機，即可測出裂縫位移的變化。

圖2 KTC線性式位移傳感器

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的能力，在設計時，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，通過調整電阻，將供電電流設定在0.3 mV，以確保傳感器的輸出電壓信號在裂縫位移監測儀的A/D所需要的0～3.3 V的電壓范圍。

圖3 傳感器恒流源電路設計圖

2.3 繼電器驅動電路

裂縫位移監測儀在設計上能同時監測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。繼電器驅動電路如圖4所示，其中基極和發射極之間的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通。光電耦合器TLP521-2是為了實現隔離，防止繼電器的開、閉對系統造成干擾。

圖4 繼電器驅動電路

2.4 信號調理電路設計

信號調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測儀系統提供高的輸入阻抗，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。為了確保監測儀系統在不連接傳感器時的顯示清零，在電路中將放電電阻設為100 kΩ。

2.5 微控制器電路

微控制器是裂縫位移監測儀的控制核心，繼電器通斷的控制、數據的采集處理、存儲及遠程發送均由微控制器控制。本位移監測儀選用STM32F103ZE作為儀器的控制核心[3-4]，其自帶的12 bit A/D轉換器用于轉換信號調理電路的輸出電壓；STM32F103ZE通過GPIO口與LCD1602和輸入鍵盤相接，其內部自帶的實時鐘模塊用于完成定時采集任務；其串口用于驅動U盤存儲電路和遠程傳輸模塊電路。

U盤存儲電路選用南京沁恒公司生產的U盤文件讀寫模塊，其支持 FAT12、FAT16及FAT32文件系統，外圍電路簡單、操作方便。遠程傳輸模塊內嵌完整的TCP/IP協議，將STM32F103ZE采集到的數據通過GSM網絡發送到監控中心，從而實現遠程監控[5]。

圖5 信號調理電路

3 裂縫位移監測儀的軟件設計

裂縫位移監測儀的軟件主要針對STM32F103ZE進行編程，具體實現監測儀的初始化、系統參數的輸入、位移信號的數據采集處理，然后將采集到的數據保存在U盤中，同時將采集到的數據通過遠程傳輸模塊發送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫，其流程如圖6所示。

圖6 位移監測儀的軟件流程圖

主程序為循環結構，在主循環結構中根據狀態標志位來判斷是進行測量還是進行參數設定。在測量分支程序中依次根據參數完成多通道的采集、數據保存、遠程發送功能；在系統參數設定分支中，依據狀態標志位完成時間設定、監測時間間隔設定、通道數設定和控制中心IP設定功能。狀態標志位的更改設計在中斷程序中，當有鍵按下時，主程序掛起，進入按鍵中斷程序；在中斷程序中依據引起中斷的按鍵而更改狀態標志位，完成狀態標志位的更改后退出中斷程序，主程序再依據設定的狀態標志位實現測量和系統參數設定之間的轉換，從而完成位移監測的各項功能。

4 裂縫位移監測儀的模擬實驗

在完成裂縫位移監測儀的硬件焊接、軟件編寫工作后，進行了裂縫位移監測儀的室內模擬實驗。實驗時，將裂縫位移傳感器連接在監測儀的通道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測儀測量傳感器的輸出電壓。實驗測試數據如表1所示。

表1 裂縫位移監測儀的模擬實驗數據

從表1的實驗數據中可以看出，自行研制的裂縫位移監測儀同萬用表測量的數據非常接近，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研制了8通道的裂縫位移監測儀，并通過室內模擬實驗表明，位移監測儀能穩定工作，可以滿足裂縫位移的實際監測需求。在野外裂縫位移監測時，配以太陽能裝置，即可實現對地表裂縫位移或地表滑坡位移的遠程、實時的自動監測。

[1]蔣凡，張青，曹修定.多通道滑坡位移監測儀的研制[J].中國地質災害與防治學報，2008(4).

[2]王洪輝，庹先國，許強，等.山體裂縫遠程監測系統[J].自動化與儀表，2010(1).

[3]武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設計[J].電子器件，2009(5).

[4]孫啟富，孫運強，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2010(10).

[5]趙強，鐘佑明，周建庭.基GPRS的嵌入式橋梁遠程裂縫監測系統[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010(5).