基于地下水位动态监测系统的研究

孙成正

（安徽财贸职业学院电子信息系，合肥 230601）

0 引言

我国地下水资源占水资源总量的1/3，对经济社会的发展具有重要作用。但随着人口的增长和经济社会的快速发展，地下水开采不合理、污染严重以及由此引发的生态环境问题（如地面沉降、地裂缝灾害等）日趋加剧［1～2］。 因此，加强地下水的观测将是一项十分紧迫的重要工作。

地下水位的动态观测直接反映了地下水的变化及储量，为有计划地合理开采、利用地下水提供了原始资料。目前，我国大部分地区对于地下水位的检测仍以传统的人工定时测量（电表、测钟、测绳等）为主［3］。人工测量不仅占用大量人力，还存有人为误差。因此，实现地下水位自动监测将是一项十分紧迫的重要工作。

1 系统硬件的总体设计

系统的硬件包括：微处理器、A／D转换电路、数据存储扩展电路、日历／时钟电路、键盘及显示接口电路、报警电路、串行通信电路和电源，硬件结构如图1所示。系统选用的AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS工艺8位单片机［4］。这种系列的单片机有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。

1．1 传感器

一般的传感器输出信号（mV级）较小，经过长距离传输后，测量结果的误差很大。本系统的测量对象是地下水位，传输的距离较远，在选择传感器时主要考虑以下因素：传感器的性能、可用性、能量消耗、成本、使用环境条件等。

本系统选用南京坤能中控技术有限公司生产的KNMY型投入式液位变送器。该液位变送器内部集成了一个压力式水位传感器和一个信号放大电路，测量信号在输出之前先被放大，这样测量出来的水位值精确度较高。该液位变送器的接口电路如图2所示。

图1 系统硬件结构框架图Fig.1 System hardware structure

1．2 模数转换器

本系统采用 Σ－Δ 型 A／D转换器 AD7705。AD7705［5］是美国AD公司生产的16位A／D转换器，它采用Σ－Δ工作原理，最高可实现16位无误码的良好性能，能将从传感器接收到的输入信号直接转换成串行数字信号，而无需外部仪表放大器。当电源电压为5V、基准电压为2．5 V时，AD7705可对从0～20 mV到0～2．5 V的输入信号进行处理，还可处理±20 mV～±2．5 V的双极性输入信号。模数转换电路如图3所示。

图2 液位变送器接口电路Fig.2 Level transmitter interface circuit

图3 AD7705硬件接口电路Fig.3 AD7705 hardware interface circuit

图4 AT24C256硬件接口电路Fig.4 AT24C256 hardware interface circuit

1．3 存储器

系统中需要保存的数据是水位值、采集时间和水位极限值，其中水位值占2个字节，采集时间占5个字节，水位极限值占1个字节。因地下水位的变化不是很快，每天测量两次，那么每天至少需要14字节的存储空间。考虑到系统要在野外工作，存储的时间较长，为满足系统存储数据的要求，必须扩展片外数据存储器。系统采用串行接口的EEPROM—AT24C256，它采用的是 I2C 总线接口技术［6～7］，接口电路如图4所示。

1．4 显示模块

液晶显示器由于具有体积小、重量轻、功耗低、使用方便等优点，已经日渐成为各种便携式产品的理想显示器。系统选用LCD12864液晶显示器，其显示电路如图5所示。

1．5 串行通信接口电路的设计

目前，EIA－RS－232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口［8］。它是一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准，是在异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准最高数据传送速率可达19．2 kb／s，最长传送电缆可达15 m。对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD、串行输出TXD和地线GND。MAX232芯片是MAXIM公司为满足EIA－RS－232C标准而特别设计的，它具有功耗低、工作电源为单电源（＋5V）、硬件接口简单等特点。MAX232与AT89S52的硬件接口电路如图6所示。

图5 AT89S52与CA12864B的接口电路Fig.5 Interface circuit of AT89S52 and CA12864B

2 软件设计

系统的下位机软件部分全部采用C语言编程。根据系统所要完成的具体功能，下位机软件设计主要包括：系统初始化、数据采集和处理模块、存储模块、按键模块、时钟模块和液晶显示模块等。在进行软件设计时，尽可能地优化程序，合理地利用系统资源，并提高软件的抗干扰能力。程序总体流程如图7所示。

图6 MAX232与AT89S52的硬件接口电路Fig.6 Hardware Interface circuit of MAX232 and AT89S52

图7 程序总体流程图Fig.7 Procedure overall flow chart

3 系统调试与验证

3．1 实验板功能调试

实验板电路检查无误后，便可进行功能调试。首先将编译好的程序生成十六进制（HEX）文件，通过编程器下载到单片机芯片中，其次将单片机芯片插入锁紧底座，接入水位变送器，最后给系统通电。经测试，系统功能符合预计的要求。

3．2 试验及结果分析

因地下观测井的直径以50 mm较为常见，故用一个直径为50 mm的管子模拟观测井。管子是透明的，可以看到水的高度，以便人工测量实际的水位值，由此可以检验测量结果的正确性。在管中预先注入一定高度的水，将水位变送器放入水中，接通系统电源，系统开始工作。改变管中水的高度，就可测出不同的水位值。测量出来的数据会在液晶显示屏上显示出来。然后，通过按键、串行接口等可以继续对系统进行测试，从而进一步验证系统的可行性。试验中，已知变送器的探头与规定水平面的距离是6 m，通过测量不同的水位值，可以得出一系列的检测结果。其中的10组数据如表1所示。

从表1可以看出，系统测量出来的水位值与实际值之间存在一定的误差。造成误差的原因主要有：水位变送器本身存在的误差，A／D转换器的精度，干扰造成的测量误差等。此外，由于实际值是由人工测量的，本身也存在着一定的人为误差。经计算，实际相对误差的范围在0．33%～0．91%之间，可见整个系统的设计可以很好地完成预计的功能。

4 结语

结合水位的测量原理、单片机应用技术和通信技术等，提出了对地下水位监测系统比较完整的解决方案，并进行了系统的硬件电路设计和软件的编写。通过调试，系统比较准确的测量地下水位的值，从而验证了系统的可行性。

本系统具有操作方便、显示直观、可靠等特点，提高了地下水位观测的自动化程度，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和使用价值。

表1 测量值与实际值Table 1 Measured value and real value

［1］鲁荣安，亢海寿．地下水资源过量开采问题初步研究［J］．山西水利科技，1999（1）：30－33．

［2］赵辉，齐学斌．地下水资源管理新技术与新方法［J］．中国水利，2009（15）：30－32．

［3］吕中虎，许顺芳．基于LM3S615的地下水位监测系统设计［J］．电子技术，2010（5）：34－35．

［4］郭东文．基于AT89C52单片机的液位检测系统［J］．电子设计应用，2003（7）：47－48．

［5］郝富春，王有全．基于AD7705的万能信号输入电路设计［J］．吉林化工学院学报，2011（9）：76－78．

［6］ 季宏锋，吴军辉，徐立鸿．I2C 总线技术及应用实例［J］．微型机与应用，2002（12）：26－28．

［7］马如坡，王金全．LonWorks神经元芯片的I2C总线技术［J］．自动化与仪器仪表，2007（5）：26－28．

［8］郭宏亮．PC机与AT89C51单片机的串行通信接口设计［J］．平原大学学报，2007（6）：117－118．