懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀設(shè)計

劉玉潔

（北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083）

懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀設(shè)計

劉玉潔

（北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083）

以單片機(jī)STM32為核心設(shè)計一款適用于野外的懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀。通過GPRS模塊將重力傳感器等測量模塊測得的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端，實現(xiàn)實時監(jiān)測野外水土保持情況的功能。通過ADS1256與單片機(jī)連接實現(xiàn)所測數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)高精度測量，實時傳輸，具有一定的實用價值。

懸移質(zhì)泥沙；自動監(jiān)測；設(shè)計

0 引言

懸移質(zhì)泥沙的測量對研究環(huán)境污染物質(zhì)遷移、土壤侵蝕溯源分析等諸多方面至關(guān)重要，目前懸移質(zhì)泥沙的測量處于人工或機(jī)械階段，且汛期時，測量難度加大。本文設(shè)計具有自動測量懸移質(zhì)泥沙含量、流量及液位，GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送，太陽能供電，任意設(shè)定固定采集周期的懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀（稱重式）。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)

懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀用于野外監(jiān)測泥沙含量和各項環(huán)境參數(shù)，其核心CPU是STM32芯片，時鐘頻率為32MHz，獨立完成從采集樣品，稱量獲得數(shù)據(jù)，存儲，遠(yuǎn)程傳輸和顯示的功能。其中泥沙含量的實時數(shù)據(jù)由模擬采集電路通過高精度的測力傳感器LCS-D1采集。顯示模塊為TFTLCD液晶顯示屏。存儲模塊為SD卡的片上存儲方式，通過SPI通信接口使其可以通過SPI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。[1]數(shù)據(jù)存儲和記錄的規(guī)律為每分鐘記錄一次泥沙含量，占用1個字節(jié)，每分鐘顯示一遍時間：年/月/日,占用4個字節(jié)。

1.2 開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計

開關(guān)驅(qū)動電路采用光耦隔離繼電器驅(qū)動電路。單片機(jī)是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動電流在毫安(mA)級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如本文中所涉及的控制水泵、電磁閥、電機(jī)，顯然是不行的。所以就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動”，繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。其中晶體管驅(qū)動繼電器工作，發(fā)射極接地，基極被接入高電平時飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)榈碗娖?，繼電器線圈通電，觸點吸合，當(dāng)晶體管基極被輸入低電平時，晶體管截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。[2]

在電路中增加光耦隔離環(huán)節(jié)。光耦就是將發(fā)光二極管和光電三極管密封在一塊,發(fā)光二極管通電點亮以后，照到光電三極管的基極上，基極收到信號就導(dǎo)致集電極到發(fā)射極之間形成通路，發(fā)光二極管熄滅后，光電三極管上集電極到發(fā)射極的通路阻斷了，二極管到三極管之間沒有電器連接，所以很安全，萬一三極管端出現(xiàn)問題也不會炴及二極管端，這就是隔離的作用。

1.3 測力電路設(shè)計

1.3.1 測力傳感器及惠斯通電橋

本儀器用于野外測量河水中懸移質(zhì)泥沙的含量，由于懸移質(zhì)泥沙的特征，所以實驗對于數(shù)據(jù)的精度要求高。為了實現(xiàn)這一要求，首先要選用高精度的應(yīng)變電橋測力傳感器（LCS-D1）。

測力傳感器的測量功能主要由上圖所示的半有源惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)。其中電橋的對角兩個電阻為應(yīng)變電阻，采用350Ω銅鎳合金應(yīng)變片。其中，一個用于測量拉伸力，另一個測量壓縮力，由此精確測量力的應(yīng)變。其余兩個為固定電阻。利用電橋激勵技術(shù)，惠斯通電橋?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓。VCC和GND終端加上激勵電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。半有源惠斯通電橋電路的輸出信號滿量程負(fù)載一般為1mV/V。

1.3.2 AD轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)高精度

本文要實現(xiàn)實時采集稱量數(shù)據(jù)，要求測量系統(tǒng)精度高、體積小、便攜性好、抗干擾能力強(qiáng)。因此選擇使用儀用放大器連接ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)輸入高精度傳感器測量值，以穩(wěn)定速率輸出精度極高的測量結(jié)果，實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測儀軟件系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行編程。軟件設(shè)計的目的是在整體設(shè)計和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建程序結(jié)構(gòu)，分配內(nèi)存資源，劃分功能模塊。軟件設(shè)計包括主程序和各模塊子程序的設(shè)計，最后合成一個完整應(yīng)用程序，與硬件設(shè)計相結(jié)合實現(xiàn)相應(yīng)功能。

2.1 主程序設(shè)計

實現(xiàn)功能：

（1）接收遠(yuǎn)程啟動、終止、傳輸?shù)让?/p>

（2）初始化單片機(jī)的寄存器、內(nèi)存等

（3）啟動濕度計、水位計

（4）LCD輸出顯示

（5）數(shù)據(jù)儲存

（6）發(fā)送遠(yuǎn)程信號，傳輸數(shù)據(jù)

2.2 濕度采集子程序

濕度采集以單片機(jī)STC89C52為控制核心，由ADC0832、電位器、電阻等組成。通過軟件設(shè)置達(dá)到具體動作實現(xiàn)。濕度通過單片機(jī)的I/O口把檢測到的周圍環(huán)境濕度值用LCD顯示出來。

2.3 數(shù)據(jù)存儲子程序

先向FLASH閃存芯片中寫入當(dāng)前時間，然后寫入1min內(nèi)濕度采集程序得出的環(huán)境參數(shù)、水位參數(shù)。當(dāng)檢測到有鍵盤輸入時，按照鍵碼跳轉(zhuǎn)到查詢程序，由鍵盤輸入準(zhǔn)確的月、日、時、分后，顯示此時刻的歷史數(shù)據(jù)。如果只鍵入月、日、時，則順序顯示該時間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。若只鍵入月或只鍵入月、日，程序則提示條件不夠。

3 結(jié)論結(jié)果分析

通過1個月的室外懸移質(zhì)泥沙自動監(jiān)測儀的試運行，結(jié)果顯示此裝置可以實現(xiàn)野外穩(wěn)定運行，數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和預(yù)警。其中裝置采用的鋰電池可以維持裝置至少1個月的工作，GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，在終端可以獲取實時數(shù)據(jù)。

[1] 趙圣飛.基于STM32的數(shù)據(jù)采集儲存系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).《中北大學(xué)》.2012(05).

[2] 實現(xiàn)高精度壓力測量的電路設(shè)計[J].王金晨,尚偉,何印洲.伺服控制.2012(05).

Design of suspended sediment automatic monitor

Liu Yujie
（Beijing Forestry University，Beijing,100083）

Based on the single chip microcomputer STM32, a kind of suspended sediment automatic monitoring instrument is designed. Through the GPRS module, the data measured by the sensor, such as gravity sensor, can be transmitted to the remote terminal to realize the function of real-time monitoring of soil and water conservation in the field. The analog to digital conversion of the measured data is realized by the connection of ADS1256 and mcu. It has certain practical value to realize high precision measurement and real-time transmission.

suspended sediment; automatic monitoring; design