基于单片机的振动数据实时采集系统

赵燕燕

摘 要：地震动数据采集系统的任务是通过前端传感系统检测环境中的震动信号，对获得的数据进行实时处理，以确定环境中目标对象的物理信息等。文章以单片机为基础，对震动数据实时采集进行研究探讨。系统利用倾角、液位传感器、控制电路、GPRS无线传输及电源模块等组成，对易发生山体滑坡地区实时信息采集与监测。该系统抗干扰性强、无线控制，适用于滑坡多发事故区的地震动测试试验场合。

关键词：单片机；震动数据；数据采集；山体滑坡

中图分类号：TP274+.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0017-02

Abstract： The task of the seismic data acquisition system is to detect the seismic signal in the environment through the front-end sensor system and process the obtained data in real time in order to determine the physical information of the target object in the environment. Based on the single-chip microcomputer， the real-time acquisition of vibration data is studied and discussed in this paper. The system makes use of dip angle， liquid level sensor， control circuit， GPRS wireless transmission and power module to collect and monitor the real-time information of landslide prone areas. The system has strong anti-interference and wireless control， and is suitable for testing and testing ground motion in the area with frequent landslide accidents.

Keywords： single chip microcomputer； vibration data； data acquisition； landslide

1 概述

我国地域辽阔，地形地势复杂多样。很多地区由于植被的破坏导致水土流失，其山体土坡在暴雨潮湿天气极易发生山体滑坡事故，给我们的财产生命安全和公路交通带来巨大的威胁。我们无力阻止灾害的发生，但是我们可以采取一定的手段来减缓危害，这就要求我们要自然災害有着一定的“预知”。事实上，有些自然灾害的发生是有前兆的，我们可根据收集得到的数据信息进行回避[1]。我国幅员辽阔，如果单靠人力监控不太现实。为及早发现滑坡降低损失，需要建立地质灾害检测预警系统工程，数据收集系统在这样的环境之中的作用尤为重要。

因此，可以在一些易滑坡地点安置传感器，一旦出现滑坡前兆，传感器即可发出报警信号，可根据信号的不同判断滑坡程度的大小，及早发现滑坡，及时撤离滑坡区域人员，最大程度避免滑坡造成的生命财产损失。因此，本文提出以单片机为基础，采用倾角传感器检测现场环境的震动数据[2]，构建实时数据采集系统，从而进行滑坡地质灾害的检测研究。

2 总体设计

本文设计的主要思想是首先通过多种灵敏度比较高的传感器，采集到地质灾害所产生的微弱的山体或者岩石等的变化信号，经过变换传输到单片机控制单元，并通过无线传输将采集到的数据送到上位机进行分析处理，并作出判断显示状态信息。若有异常现象，则启动报警设备，进入警示状态。其系统结构框图如图1所示。

山体滑坡的监测主要依靠两种传感器的作用，即液位传感器和倾角传感器。在山体容易发生危险的区域，沿着山势走向竖直设置多个孔洞。每个孔洞在最下端部署一个液位传感器，在不同深度部署多个倾角传感器。根据造成山体滑坡主要因素，确定地下水位深度为显示山体滑坡危险度的第一指标，由液位传感器采集并由无线网络发送。通过倾角传感器可监测山体的运动状况，山体由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同。发生这种现象时，部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据。

部署的传感器将环境的液位、角度信号转化成为对应的电信号，经信号调理电路变化之后得到的电信号传送给单片机，并进行控制、采集及保存信息，采集到的信息将会通过单片机的串口通信与GPRS无线发送模块进行无线传输，上位机PC机可接收到从无线模块发送过来的信号，通过串口模块与其进行连接，使PC机实时的了解地质的最新状况，若有地质灾害情况则进行灾害预警。

3 硬件电路设计

3.1 前端探测部分

倾角传感器可监测山体的运动状况，本文选取一款小尺寸、低功耗、三轴加速度传感器ADXL327，可用来测量土坡倾斜的静态加速度，以及运动、冲击或震动导致的动态加速度，可及时有效的采集山体滑坡动态信息[3]。其雨量的检测，选用PTP601防雷投入式液位传感器[4]，该传感器平稳性高，可预防雷击，灵敏度高，具有良好防潮性，适合于对地底下的水位测量与控制。当液位传感器测量得到水压后，可算得此时液体的水位，进行此数据的采集。其输出信号，可以经过简单的信号调理后送入C8051F020进行A/D转换。

3.2 控制单元部分

数据采集系统中，单片机作为硬件控制核心芯片，主要用来控制数据的采集工作。根据控制要求和环境因素，系统单片机选用低功耗、大容量、自带A/D转换的C8051F020芯片。C8051F020处理器采用高速8051微控制器内核，指令结构为流水线方式，执行指令速度可达25MIPS，具有4K+256字节的RAM，64K flash ROM，省去了外扩ROM，简化了电路设计，也节省了CPU资源。C8051F020处理器具有8组8位I/O口，所有端口均耐5V电压，可按需将端口设置为I/O总线和I/O口使用，方便系统的构成和软件编程。

本文通过传感器对环境监测数据进行采集，通过信号调理电路进行放大与处理，转换为单片机可以接收的标准信号，送入到单片机内部进行A/D转换成为数字信号，将其转换的数字信号信息保存到单片机的RAM中，在上位机发出读取数据命令时，将数据打包后通过串口电路发送至GPRS模块，无线传送到上位机。

3.3 数据传输部分

本文设计的数据采集系统分为上位机及下位机两个部分，其中上位机是PC机，主要用于用户对监测机进行检测与控制，下位机是单片机构成的数据采集系统。其中上位机与下位机的进行数据传输的方法主要是采用GPRS来进行无线数据的传送，其传输简单、可靠、稳定，系统通过RS232串口与GPRS模块连接。

GPRS模块选用西门子MC52iR3，它具有低功耗模式，在休眠模式下工作电流仅为3mA，支持TCP/IP协议栈，通过GPRS網络以TCP/IP数据包方式将现场采集到的监测数据实时传输到远程的上位机。

3.4 电源部分

此设计需要给各个模块都提供稳定、固定的电源电压，系统的电源电压有220V、24V、5V、3.3V。其中，上位机是放置监测房中的，故可用220V的交流电直接对其进行供电；工作在野外环境的传感器部分，作为采集地质灾害的主要采集工具，可选择采用24V的铅蓄电池，对液位传感器PTP601直接进行供电。电源24V经DC28S5电源模块变换后输出+5V为串口通信模块供电，经三端稳压器LT1117-3.3 变换后输出+3.3V，为单片机C8051F020和倾角传感器ADX327供电。

4 软件设计

在本设计中，首先系统自检，由上位机向下位机下发状态查询指令，对下位机如：单片机的工作温度、电池的电压等参数进行查看；其次，在正常状态下，由上位机向下位机发送系统初始化指令，完成相应参数初始化设置，使多个下位机同时进行数据采集状态；最后，采用定时器查询方式读取采集到的数据。此系统一直进行循环，实现系统在线监测，其系统工作流程图如图2所示。

5 结束语

本文基于山体滑坡地质灾害监测，采用三轴加速度传感器和液位传感器采集数据，利用C8051F020单片机内部资源实现A/D转换、实时数据采集，并将数据通过GPRS无线传输到远程上位机，这种数据采集系统对山区山体滑坡的在线监测、及时预警，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]周发江.地震危害及地震预警研究[J].改革与开放，2010（4）：108.

[2]付小宁，严正国.加速度过阻尼地震检波器测量的研究[J].传感器技术，2004，23（9）：16-17.

[3]宗赤.基于加速度传感器的地震检波器设计[J].新器件新技术，2011（1）：49-51.

[4]钟惠琴.基于S3C2440的矿井智能水位监测仪的设计[J].工矿自动化，2010（4）：76-79.