懸移質(zhì)泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

作者/代清，北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院

1.懸移質(zhì)泥沙含量現(xiàn)狀

泥沙在引水渠系中的淤積會(huì)導(dǎo)致引水流量不足，供水效益降低，并耗費(fèi)大量清淤的人力和物力。在平原河道中累積性的泥沙淤積會(huì)抬高洪水位，降低河道宣泄洪水的能力，增加洪水的災(zāi)害和損失[1]。在水土保持和環(huán)境污染問(wèn)題中，懸移質(zhì)泥沙含量也有很大的影響。大量的懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙,是美國(guó)一個(gè)最為重大的污染問(wèn)題,這樣不但大量的土壤流失影響到當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn),而且泥沙顆粒所吸附的電離物質(zhì)在很長(zhǎng)時(shí)間后還能釋放在河道中,這就會(huì)破壞水生植物的生態(tài)環(huán)境[2]。林地是懸移質(zhì)泥沙的主要非點(diǎn)源污染源之一。

2.單片機(jī)芯片選擇方案與論證

由于STM32屬于高性能的單片機(jī)，并且其內(nèi)部具有豐富的資源，故采用STM32單片機(jī)作為本系統(tǒng)主控制芯片。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.稱重模塊選擇方案與論證

單點(diǎn)稱重壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)方案采用浮力法時(shí)可選用稱重壓力傳感器。壓力傳感器由鋁合金制成，精度高，量程范圍大0～2kg。其測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)I/O端口傳輸?shù)饺我饨K端，如CP或單片機(jī)最小系統(tǒng)。

4.實(shí)驗(yàn)方法的選擇方案與論證

浮力法測(cè)量泥沙含量。將物塊浸入清水中得到此時(shí)的拉力示數(shù)，再將物塊浸入不同泥沙含量的泥水中，得到一系列拉力示數(shù)，通過(guò)公式推導(dǎo)可以得到對(duì)應(yīng)的河水泥沙含量[3]：

公式中m為物塊在空氣中的傳感器示數(shù)，F(xiàn)1為清水中的示數(shù)，F(xiàn)2為在不同泥沙含量的泥水中的示數(shù)。公式2左側(cè)為泥沙含量，單位g/L，d為常數(shù)，表示泥沙比重。

5.光耦繼電器隔離電路

在硬件方面，單片機(jī)泥與外設(shè)連接的端口需要設(shè)計(jì)隔離電路實(shí)現(xiàn)抗干擾效果，未使用的單片機(jī)I/O管腳設(shè)置為輸入模式并接地。其中，隔離電路采用光耦繼電器電路，外設(shè)信號(hào)傳入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)光耦和三極管，觸發(fā)繼電器開(kāi)關(guān)，從而將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)I/O口，從而實(shí)現(xiàn)隔離效果。如圖2所示。

圖2 光耦隔離電路

6.系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)名稱為懸移質(zhì)泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為嵌入式系統(tǒng)軟件，可以用于STM32等單片機(jī)最小系統(tǒng)，具有高度的兼容性。懸移質(zhì)泥沙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要用于野外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水土情況。實(shí)現(xiàn)河水懸移質(zhì)泥沙從采樣、稱量到數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。本款軟件的創(chuàng)新特色在于融合了小信號(hào)放大電路作為校正電路，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備測(cè)量時(shí)的整體校準(zhǔn)。融合了ADS1256數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的精確轉(zhuǎn)換，最終顯示在液晶屏幕上呈現(xiàn)給用戶。

設(shè)計(jì)主程序?qū)崿F(xiàn)以下功能：系統(tǒng)初始化，包括初始化單片機(jī)定時(shí)器、寄存器、內(nèi)存等；啟動(dòng)水泵、電磁閥、水位計(jì)；液晶屏初始化；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與繪圖；數(shù)據(jù)顯示。具體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)工作于循環(huán)模式，循環(huán)周期25s。主程序初始化內(nèi)容主要有單片機(jī)定時(shí)器初始化、觸摸液晶屏顯示初始化以及液晶屏顯示模式設(shè)置等。初始化結(jié)束后，進(jìn)行各個(gè)參量數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。接著進(jìn)行AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出4～20mA傳輸電流。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和圖像繪制，將最終結(jié)果顯示在液晶屏上。

6.1 濕度顯示子程序

濕度采集子程序以單片機(jī)STM32為控制核心，由ADC0832、電位器、電阻等組成。通過(guò)軟件設(shè)置達(dá)到具體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。濕度通過(guò)單片機(jī)的I/O口把檢測(cè)到的周圍環(huán)境濕度值用LCD液晶顯示屏顯示出來(lái)。

6.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序的實(shí)現(xiàn)如下：先向FLASH閃存芯片中寫(xiě)入當(dāng)前時(shí)間，然后寫(xiě)入一分鐘內(nèi)濕度采集程序得出的溫度、濕度、水位參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到有鍵盤(pán)輸入時(shí)，按照鍵碼跳轉(zhuǎn)到查詢程序，由鍵盤(pán)輸入準(zhǔn)確的月、日、時(shí)、分后，顯示此時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)。

6.3 顯示子程序

顯示程序的流程為初始化，指針指向首地址，寫(xiě)入數(shù)據(jù)，清屏。初始化過(guò)程中，觸摸液晶顯示屏上會(huì)顯示“抽水”，“停止”和“排水”三個(gè)按鈕，來(lái)控制水泵的啟停和電磁閥的開(kāi)關(guān)。通過(guò)在顯示初始化子程序中首先要進(jìn)行功能設(shè)定，關(guān)閉顯示指令，清屏，再開(kāi)啟顯示指令，最終將時(shí)間、測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)圖像顯示在液晶屏上。

6.4 數(shù)據(jù)傳輸子程序

數(shù)據(jù)傳輸子程序的流程大致如下：首先發(fā)送讀狀態(tài)指令，使能有效，進(jìn)行忙判斷。接著發(fā)送數(shù)據(jù)指令，使能信號(hào)打開(kāi)，最終關(guān)閉使能信號(hào)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

7.結(jié)論分析

經(jīng)過(guò)三個(gè)月的野外懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測(cè)儀的試用，綜合結(jié)果證明監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)警。通過(guò)GPRS信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，可在客戶終端獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

* [1]陳利華.未破壞林地懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的潛力[J].水土保持科技情報(bào)，1983,04∶30—32.

* [2]張尚權(quán)，吳衛(wèi)，盧春生，鄭發(fā)科.AYX2—1型調(diào)壓式懸移質(zhì)采樣器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].水文水資源,2008,08∶8—10.

* [3]張瑞瑾. 河流泥沙動(dòng)力學(xué)[M] .武漢水利電力大學(xué)：中國(guó)水利水電出版社，2002：76—79.

Vishay擴(kuò)充其 ENYCAP電力雙層儲(chǔ)能電容器的容值范圍和外形尺寸

Vishay宣布，擴(kuò)展其用于能量采集、備用電源和UPS電源的220 EDLC ENYCAP系列電力雙層儲(chǔ)能電容器。Vishay BCcomponents器件具有功率和儲(chǔ)能版本，穩(wěn)定性好，容值范圍寬，有16mm x 20mm到18mm x 40mm的8種小外形尺寸。此次發(fā)布的極化儲(chǔ)能電容器可用于工業(yè)、通信和PC市場(chǎng)，功率密度達(dá)4.1Wh/kg，容值從15F到60F，+65℃下的額定電壓為2.7V。220 EDLC ENYCAP系列器件的內(nèi)阻非常低，能夠快速充電和放電。這些通孔電容器有長(zhǎng)引線，符合RoHS。