基于STM32F的地下水位监测系统设计

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摘 要：地下水位过高会造成滑坡等地质灾害，于是结合压力式传感器原理，采用RS485通信接口技术和标准Modbus通信协议，设计出了实时地下水位监测系统。以此达到了实时性强、灵敏度高、低成本等目的。

关键词：地下水位；压力式传感器；RS485；Modbus

前言

众所周知，滑坡一旦发生，会造成一定范围内的人员伤亡和财产损失，也会对周边道路交通造成阻塞。而造成滑坡的因素有很多，如：降雨量，地下水位，深部位移等。为避免以及减少滑坡造成的危害，对滑坡进行监测预警是必需的，其中地下水位的监测是滑坡监测预警中的重要环节。故对地下水位监测要做到信号传输稳定，适合较长距离探测，及时且有效，易于实现。

1 传感器的选择和使用

采用打井方式监测地下水位[1-2]，在此采用的传感器是投入式压力传感器，根据传感器所受到的液体静压与此时液体的高度所成的比例来测得水位。当把传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器受到液体压力公式为：

P=ρ×g×H+P0

P为传感器所受液体压力；ρ为被测液体密度；g为重力加速度（调试时按照9.8015处理）；P0为液面上大气压；H为传感器投入液体的深度。当传感器投入到被测液体的某一深度时，传感器测得的实时压力为：ρgH，根据计算就可得出水位。

此次选用的压力式水位计传感器型号为CYW15，它是投入式的液位传感器，具有防雷击、截屏干扰设计、抗干扰能力强。供电电压为9～36VDC，过载能力为200%FS，响应频率≤500Hz，防护等级为IP68。同时能够很好的过压保护和限流保护，稳定性好、响应速度快。该压力式水位传感器封装性能好，探头直径为28mm，有两种输出接线方式：电流输出接线（两线制）和RS485（数字信号）输出接线（四线制），本次采用四线制输出。

2 系统设计

传感器、传感器信号处理电路、STM32F407、电源等构成了本次设计的地下水位实时监测系统，系统设计框图如图1所示。选用的主控芯片STM32F407，其微处理器工作频率可达168MHz，内置了高速存储器和4K字节的SRAM。为了提高转换精度，ADC配有独立电源，可以单独滤波并屏蔽PCB上的噪声。

2.1 传感器信号处理电路

传感器信号处理电路主要进行的是I/V转换和信号分压及其阻抗匹配，使传感器输出的电流信号进入到主控芯片的模拟量检测输入端，实现水位量到电压值的转换。传感器输出信号为小信号（4～20mA电流信号），为防止干扰以便于后续电路的处理，故需要对此电流信号进行放大将其转换为0～5V的电压信号。

使用I/V转换电路进行信号转换，此电路使用的是双电源±12V供电，电源去耦采用1μF钽电容。采用RCV420能够使得输出信号为0～5V，总变换误差小于0.1%。RCV420具有两个信号输入端口+In和-In，输入信号连接哪一个端口取决于输入信号的极性。传感器的输入信号极性为正，连接的是+In。

2.2 A/D转换

STM32F407微处理器内部集成的12位逐次逼近式ADC转换模块共有19路输入，允许测量来自两个内部来源，16个外部来源及VBAT通道的信号。每个通道可以进行单次、连续、扫描或者断续模式的A/D转换。转换结果存储在左对齐或者右对齐的16位存储器中，ADC可以配置12位、10位、8位或6位分辨率。ADC模块供电要求：2.4～3.6V下可以全速运行，当电压降至1.8V时，以较慢的速度进行转换。

由于STM32F407内部集成的ADC已经具有较高精度，足以满足此次设计的要求，所以A/D转换直接使用ADC模块，把模拟信号转换为数字信号。

2.3 电平转换

本设计中采用半双工的是RS485通信方式进行电平转换，串口数据为9600bps，同时使用Modbus-RTU模式协议。Modbus-RTU模式的数据报文帧，在最大字节为256：设备地址为1字节、功能码为1字节、CRC校验码为2字节和数据区为0～252字节。其中传感器参数采集的Modbus-RTU协议模式功能码为：0x03表示读取寄存器；0x06表示写单个寄存器；0x10表示写多个寄存器。

3 实际应用

现利用PVC管实现地下水位模拟装置，验证本次设计的系统功能是否能实现。PVC管透明且高2m，刻度为2mm，通过改变传感器在PVC里面放置的位置，以测得实时水位，实际应用测得的数据如表1所示。

从实际应用结果可以发现测量值和实际值存在一定误差，随着水位加深，相对误差逐渐减小，最小相对误差为1.2%。由于所选择的传感器的精度是0.1%FS，所以误差在传感器的精度范围内，结果较为理想。在实际应用期间，数据信息能够进行及时发送和返回，监测实时水位。同时本系统能够稳定运行，在野外进行实地监测，监测结果理想。

4 结束语

文章利用STM32F407作为主控芯片对传感器信号进行A/D转换，采用RS485通信技术和Modbus通信协议对数据进行实时发送接收，最终实现地下水位的实时监测。本系统易于实现，减轻了人员的劳动强度，方便快捷，可提供可靠的数据，具有广泛的应用领域。但在数据处理上还存在一定的误差，后续还需进一步处理将精度提到更高。

参考文献

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