一種無(wú)人值守型潮汐模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳軍輝 鄭永 黃榮蓉 陳杰 司慧萍 林開顏

摘要研究潮汐現(xiàn)象對(duì)沿海植物生長(zhǎng)的影響是海洋生態(tài)學(xué)的重要研究課題，設(shè)計(jì)一套在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中可自動(dòng)模擬潮汐現(xiàn)象的系統(tǒng)是這種研究的基礎(chǔ)需求。針對(duì)這一需求開發(fā)了模擬潮汐系統(tǒng)，提出了一種上下雙水箱模擬潮汐設(shè)計(jì)方案。介紹了該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、硬件組成及與軟件設(shè)計(jì)。目前，該模擬潮汐系統(tǒng)已在華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)中投入使用，運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞潮汐現(xiàn)象；模擬潮汐系統(tǒng)；STC15F單片機(jī)；雙水箱

中圖分類號(hào)S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）26-0176-03

Design and Realization of the Unattended Tidal Simulation System

WU Junhui1，ZHENG Yong2，HUANG Rongrong2，CHEN Jie1* et al

（1.National Engineering Research Center of Protected Agriculture，Tongji University，Shanghai Engineering Research Center of Protected Agriculture，Shanghai 200092；2.Tongji University，Shanghai 201804）

AbstractStudying the effects of tidal phenomena on coastal plant growth is an important subject in marine ecology，design of a system that simulates tidal phenomena automatically in laboratory is the basis for the study.a simulated tidal system was developed for this requirement，and a design scheme of upper and lower water tanks is proposed.The functional structure，hardware composition and software design of the system were introduced.At present，the system has been put into operation in the relevant research experiment of the State Key Laboratory of Estuarine Coast of East China Normal University，and the operation effect is good.

Key wordsTidal phenomena；Simulation tidal system；STC15F MCU；Double water tank

海洋生態(tài)研究起源于18世紀(jì)初的歐洲，是生態(tài)學(xué)研究的重要組成部分。然而，在實(shí)驗(yàn)室條件模擬海洋生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中的研究一直以來(lái)都是較為棘手的問題。該系統(tǒng)從海洋生態(tài)學(xué)在實(shí)驗(yàn)室的研究需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)時(shí)模擬潮汐現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置分為自動(dòng)和手動(dòng)2種操作模式，提高了實(shí)驗(yàn)效率、減少了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

海洋生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)原料是海水，由于對(duì)海水的需求量較大，一般在實(shí)驗(yàn)室采取的方案是按一定的配比將自

來(lái)水

和各類無(wú)機(jī)鹽配成近似于海水的實(shí)驗(yàn)用水。該試驗(yàn)裝置采用了全自動(dòng)水循環(huán)的上下兩水箱設(shè)計(jì)，上水箱為實(shí)驗(yàn)水箱，下水箱為儲(chǔ)水水箱，這一設(shè)計(jì)有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)用水，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)量[1-5]。

1系統(tǒng)原理

模擬潮汐系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)水箱設(shè)定了5檔液位。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)水箱進(jìn)行排水和上水操作模擬落潮與漲潮。當(dāng)前液位A和目標(biāo)液位B差對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)水箱執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作見表1。

水箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)水箱與儲(chǔ)水水箱的實(shí)驗(yàn)水箱與儲(chǔ)水水箱之間通過(guò)管道A和管道B連接：管道A由電磁閥1將實(shí)驗(yàn)水箱的水注入到儲(chǔ)水水箱中。管道B通過(guò)水泵1將儲(chǔ)水水箱中的水抽到實(shí)驗(yàn)水箱中。實(shí)驗(yàn)水箱頂部管道C通過(guò)電磁閥2獲取外界水源。儲(chǔ)水水箱底部管道D通過(guò)電磁閥3向外界排水。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)水箱的側(cè)壁安裝了5個(gè)側(cè)位浮球開關(guān)，用于表征海水漲落潮的5種水位。儲(chǔ)水水箱的底部和頂部裝了2個(gè)側(cè)位浮球開關(guān)，用來(lái)指示液位L和液位H，當(dāng)液位到達(dá)液位L時(shí)代表儲(chǔ)水水箱已空，到達(dá)液位H時(shí)代表儲(chǔ)水水箱已滿。

實(shí)驗(yàn)水箱模擬落潮時(shí)，需要進(jìn)行排水動(dòng)作，打開電磁閥1將實(shí)驗(yàn)水箱中的水注入到儲(chǔ)水水箱中。如果儲(chǔ)水水箱已滿則通過(guò)電磁閥3向外界排水。實(shí)驗(yàn)水箱模擬漲潮時(shí)，需要進(jìn)行上水動(dòng)作，打開水泵1將儲(chǔ)水水箱中的水抽入到實(shí)驗(yàn)水箱中。如果儲(chǔ)水水箱已空，則通過(guò)電磁閥2從外界注水到實(shí)驗(yàn)水箱中。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，控制系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方案，STC15F2K60S2型單片機(jī)為主控模塊，電源模塊、輸入模塊、存儲(chǔ)模塊、觸摸屏模塊和輸出模塊為主要功能模塊。系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)2種模式：自動(dòng)模式允許實(shí)驗(yàn)人員按照北京時(shí)間設(shè)置定時(shí)和目標(biāo)液位，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定時(shí)間完成機(jī)構(gòu)動(dòng)作達(dá)到目標(biāo)液位；手動(dòng)模式允許實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際需求手動(dòng)調(diào)整來(lái)達(dá)到目標(biāo)液位[8-10]。

3.1主功能模塊結(jié)構(gòu)

水泵供電；直流24 V為電磁閥供電；直流12 V為電路板、觸摸屏與側(cè)位浮球開關(guān)供電。其中，由開關(guān)電源提供的12 V直流電壓，即VIN，經(jīng)過(guò)L7805CV穩(wěn)壓芯片獲得5 V電壓VCC為STC單片機(jī)供電；同時(shí)VCC經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器SP1117轉(zhuǎn)換成3.3 V，即VC33，經(jīng)過(guò)瓷片電容濾波獲得3.3 V穩(wěn)壓，為存儲(chǔ)芯片AT45供電。

系統(tǒng)的輸入信號(hào)是7個(gè)側(cè)位浮球開關(guān)提供的開關(guān)量。當(dāng)液位上升到某側(cè)位浮球開關(guān)處時(shí)，此開關(guān)接通，對(duì)應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)光隔離器PC817后輸入到單片機(jī)中，隔離后的信號(hào)經(jīng)過(guò)單項(xiàng)驅(qū)動(dòng)器74HC244放大后接入單片機(jī)。

輸出信號(hào)由經(jīng)反相器74HC04變成高電平，由非門電路ULN2003驅(qū)動(dòng)后，獲得低電平接入繼電器ATX203，達(dá)到通過(guò)控制繼電器來(lái)控制水泵和電磁閥的目的。

存儲(chǔ)模塊AT45D081用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、實(shí)驗(yàn)人員設(shè)定的時(shí)間和目標(biāo)液位參數(shù)等，并定時(shí)記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行信息。

3.2觸摸屏模塊結(jié)構(gòu)

觸摸屏是系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)人員的交互界面。該系統(tǒng)采用5英寸的DGUS工業(yè)應(yīng)用屏，并且采用直接變量驅(qū)動(dòng)的顯示方式。觸摸屏的顯示和觸摸操作基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來(lái)完成。單片機(jī)與觸摸屏之間采用RS-232串行通信，通過(guò) MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換[11]。圖4為觸摸屏模塊通訊硬件原理圖。

3.3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程如圖5所示，主控板定時(shí)詢問觸摸屏的界面號(hào)，判斷觸摸屏處于自動(dòng)控制界面、手動(dòng)控制界面還是密碼修改界面，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。

系統(tǒng)上電后進(jìn)入密碼登錄界面，正確輸入密碼后進(jìn)入主界面，否則停留在登錄界面。進(jìn)入主界面后可查看當(dāng)前液位和時(shí)間，同時(shí)可以選擇進(jìn)入某一功能界面（自動(dòng)控制界面、手動(dòng)控制界面和密碼修改界面）。自動(dòng)控制界面顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)人員已設(shè)置的時(shí)間和目標(biāo)液位（所有設(shè)置可添加或刪除），手動(dòng)控制界面允許實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整液位，密碼修改界面密碼修改成功后返回主界面。

4系統(tǒng)應(yīng)用

漲潮落潮是海洋受月球引力影響的自然現(xiàn)象，每天有2次潮水的漲落。從漲潮開始到退潮結(jié)束大概要經(jīng)過(guò)6 h：漲潮、平潮和退潮各2 h[12]。該系統(tǒng)已在華東師范大學(xué)海岸河口國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室投入運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)由液位1到液位5和由液位5到液位12種情況所用的時(shí)間進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)并取平均值，與實(shí)際漲落潮用時(shí)情況對(duì)比得到表2。

由表2可知，水泵選擇中檔檔位時(shí)，系統(tǒng)模擬漲潮效果最佳。漲潮、平潮和落潮的模擬時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的相對(duì)誤差分別為-4.5%、0和-11%。

5結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)有效地模擬了海洋的潮汐現(xiàn)象，為海洋生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。目前，系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于華東師

范大學(xué)的海岸河口國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)一年多的使用表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、控制精度高，可以滿足海洋生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)要求。另外，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，會(huì)根據(jù)

設(shè)置的時(shí)間獨(dú)立完成漲潮落潮的模擬實(shí)驗(yàn)，有效地提高了海洋生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度。

該系統(tǒng)目前處于初始研究階段，后期有很多研究需要開展：如實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與該系統(tǒng)的連接；實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)系統(tǒng)操作情況的留痕記錄；實(shí)現(xiàn)在PC端或移動(dòng)端查看系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況以及對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行模式設(shè)置和操作等[13-15]。

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