CN104634614B - 一种基于单片机的振动式沉积物采集仪及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的振动式式沉积物采集仪及其控制方法，涉及计算机技术与沉积物样本采集技术领域。该装置主要由绳缆、电缆、振动器、检测控制单元、样品采集单元、密封箱以及电源模块组成。采用单片机作为控制单元，可以实现对电机转速的调节，使得采样器与底层沉积物达到共振，增加采集的效率，并且搭载着压力、角度以及转速传感器。开发上位机操作界面，实现与水下控制系统的交互。本发明的有益效果是沉积物采样器可以实现微扰动与稳定高效采样，同时工作人员可以实时监测与控制水下采集的状态与过程，适用于河流、湖泊与水库等水源地的沉积物样本采集。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术与沉积物样本采集技术领域，涉及到一种基于单片机的振动式沉积物采集仪及其控制方法。
背景技术
水底沉积物可以分为表层沉积物与深沉沉积物，受到沉积物特性与来源不同的影响，污染物在深度上的组分与浓度也不一致。表层沉积物由于含水量较大，因此受到外界的干扰时其物质形态与结构特征很容易受到影响。目前，在河流、湖泊与水库等水源地获取水底沉积物的技术手段及其设备有多种。主要沉积采集方式包括挖式、抓斗式、重力式、锤击式与振动式等采集设备采集沉积物样本。
这些采集方式主要存在以下不足：第一，沉积物采集仪在采集沉积物的过程中干扰较大，很容易破坏了表层沉积物原有的物理结构；第二，采集方式过度依赖于自身重量和下降时的冲力，导致样品采集深度受到限制，而且采样管空间利用不充分；第三，受到重心过高和水域流速影响无法获知是否倾斜，导致采样器中的样本不一定能够代表实际的沉积物分布情况。
目前已有的振动式沉积物采集仪，例如，秦华伟的《利用静水压力驱动的沉积物取样器》主要是依赖深水的静水压力，而且应用于海洋等深水底部岩层沉积物的采集领域。该种采集方式需要较高的静水压才能完成振动式采集，对底层沉积物扰动较大，不能监测与控制整个采集过程，因此在水库与湖泊等浅水领域并不能有效取出代表性的样本。
显然，目前沉积采集方式不具备微扰动与稳定高效采样以及监控采样过程的特点，因此有必要将依靠重力或冲力并且不可调的采集方式更新为冲力可调的动力式采集。研发检测控制单元、激振器并设计上位机，使整个仪器以及采集过程能够在监控下进行，实现微扰动与稳定高效地采集代表性沉积物样品的目的。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有沉积物采集仪不能够在监控下实现沉积物微扰动与稳定高效采集的目的，提供了一种基于单片机的振动式沉积物采集仪及其控制方法。通过该采集方式，沉积物采样器可以实现微扰动与稳定高效采样，同时工作人员可以实时监测与控制水下采集的状态与过程。该方法适用于河流、湖泊与水库等水源地的沉积物样本采集。
本发明采用的具体技术方案是：
一种基于单片机的振动式沉积物采集仪控制方法是由绳缆、电缆、振动器、检测控制单元、样品采集单元、密封箱以及电源模块组成。电源模块为检测控制单元与振动器提供电能，检测控制单元与振动器密封在密封箱中，样品采集单元通过螺栓固定在密封箱下面。
绳缆通过吊环连接着振动式沉积物采集仪，在采集的过程中具有下放与提拉采集仪的作用。
电缆由上往下经过密封箱，连接电源模块、振动器与检测控制单元。电缆有两个作用：一是为检测控制单元与振动器提供电源；二是为检测控制单元与上位机传输信号。
振动器由直流电机、T型换向器以及偏心块组成。直流电机动力输出轴连接在T型换向器的纵轴，两轴通过联轴器联接固定，直流电机直立在T型换向器上，直流电机连接着电缆。T型换向器采用由一个纵轴和两个转向相反的横轴连接形式，T型换向器的两个横轴通过螺纹连接两个形状与大小一样的偏心块。整个振动器通过螺栓固定在密封箱内。
检测控制单元由单片机控制系统、上位机、数据采集模块、深度传感器测量模块、水平传感器测量模块与转速传感器测量模块组成。单片机控制系统通过电缆连接着上位机，并且通过数据采集模块连接着三种传感器测量模块，单片机控制系统密封在密封箱中。单片机控制系统作为整个控制系统的核心单元，不仅可以通过传感器收集采集仪的工作状态，而且接收上位机传来的操作指令，用来控制电机的转速。上位机用来显示采集仪采集的沉积物情况，并且将控制指令发送到单片机控制系统。深度传感器测量模块搭载在密封箱的外面，测量信号通过信号线输入到密封箱中的单片机控制系统。深度传感器测量模块主要有两个作用，一是测量采集仪是否到达水底，二是测量采集仪在振动过程中沉入水底的深度。水平传感器测量模块固定在密封箱中，通过信号线与单片机控制系统连接。水平传感器测量模块是用来测量采集仪在水下是否发生倾斜。转速传感器测量模块固定于T型换向器边缘，通过信号线与单片机控制系统连接，用于测量电机的转速。传感器将测量的信号通过单片机控制系统传输到上位机中，实现对水下采集仪工作状况的监测。上述的电路中采用开关电源模块将交流电转换为直流电为各个单元提供电量。考虑到整个检测控制单元在水下工作，因此需要良好的密封装置，防止仪器进水现象的发生。
样品采集单元由采样桶与防扰动支架组成。采样桶由两个桶体组成，内部桶体采用有机玻璃管，这样有利于减小沉积物与桶壁摩擦力，从而更容易采集到样品，为了防止提拉时沉积物掉落；由于采样桶需要承受振动器的激振力与提拉时的压力与自身的重力，外部桶体采用金属桶体；内部桶体上端安装一个上档板，在外部桶体下端安装一个下挡板，上档板与下挡板均通过铰链连接于桶壁。防扰动支架套在采样桶下端，用来防止采集仪发生倾斜，使得采集仪能够稳定高效的采集到代表性的样品。
密封箱结构由密封箱上盖、吊环、固定螺栓、电缆过孔、密封箱体与箱体固定孔组成。密封箱上盖与密封箱体通过固定螺栓连接在一起，电缆过孔是密封箱内检测控制单元与上位机和电源连接的通道，吊环是绳缆连接密封箱的结构。箱体固定孔通过固定螺栓与采样桶相连接。
本发明采用稳定支架，可以在下放与振动时减小水流与振动对采样管的作用，达到稳定沉积物采集仪的目的。采用单片机作为控制单元，可以实现对电机转速的调节，使得采样器与底层沉积物达到共振，增加采集的效率。本发明搭载着压力传感器与水平传感器，可以实时监测到采集仪的工作状态，便于工作人员了解采集的情况，并可以通过发送操作指令，实现与水下控制系统的交互。
附图说明
图1是本发明专利基于单片机的振动式式沉积物采集仪的结构示意图。
图2是本发明专利基于单片机的振动式式沉积物采集仪的工作原理图。
图3是样品采集单元的结构示意图。
图4是密封箱结构示意图。
图5是根据本发明应用于水库沉积物采集的流程图。
图中：1上位机；2电源模块；3检测控制单元；4振动器；5密封箱；6采样桶；7防扰动支架；8下挡板；
3-1控制单元；3-2水平传感器；3-3深度传感器；3-4转速传感器；4-1直流电机；4-2联轴器；4-3偏心块；4-4T型换向器。
5-1密封箱上盖；5-2电缆过孔；5-3吊环；5-4固定螺栓；5-5密封箱体；5-6箱体固定孔。
6-1螺栓过孔；6-2外部桶体；6-3内部桶体；6-4水流过孔；6-5上挡板；6-6固定螺栓。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图对本发明的具体实施方式进行详细叙述。
一种基于单片机的振动式沉积物采集仪控制方法的具体说明如下：
图1～图4是本发明公开的一种基于单片机的振动式沉积物采集仪控制方法实现了沉积物智能化采集的实施例。
参见图1是基于单片机的振动式式沉积物采集仪的结构示意图，由上位机1、电源模块2、检测控制单元3、振动器4、密封箱5、采样桶6、防扰动支架7、下挡板8组成。电源模块2为检测控制单元3与振动器4提供电能，检测控制单元3与振动器4密封在密封箱5中，采样桶6通过螺栓固定在密封箱5下面，防扰动支架7套在采样桶6下端，采样桶6可以很容易地通过防扰动支架7移动。
参见图2是基于单片机的振动式式沉积物采集仪的工作原理图，由上位机1、电源模块2、控制单元3-1、水平传感器3-2、深度传感器3-3、转速传感器3-4、直流电机4-1、联轴器4-2、偏心块4-3与T型换向器4-4组成。上位机1接收水平传感器3-2、深度传感器3-3与转速传感器3-4传送过来的参数值，并向电机4-1发送控制指令。直流电机4-1通过联轴器4-2带动T型换向器4-4与偏心块4-3振动。
参见图3是样品采集单元的结构示意图。由螺栓过孔6-1、外部桶体6-2、内部桶体6-3、水流过孔6-4、上挡板6-5与固定螺栓6-6组成。密封箱5通过螺栓过孔6-1与采样桶的外部桶体6-2连接，外部桶体6-2通过固定螺栓6-6与内部桶体6-3连接，6-4是水流过孔，采样的过程中起到排水与进水的作用，下挡板8与上挡板6-5通过铰链与采样桶连接，采样结束后提拉采集仪时起到防止沉积物脱落的作用。
参见图4是密封箱结构示意图。由密封箱上盖5-1、电缆过孔5-2、吊环5-3、固定螺栓5-4、密封箱体5-5与箱体固定孔5-6组成。密封箱上盖5-1与密封箱体5-5通过固定螺栓5-4连接在一起，电缆过孔5-2是密封箱内检测控制单元3与上位机1和电源模块2连接的通道，吊环5-3是绳缆连接密封箱5的结构。箱体固定孔5-6通过螺栓与采样桶6相连接。
具体实施步骤如下：
步骤1：采样前，固定好各部分，包括密封箱5、采样桶6、防扰动支架7与下挡板8，同时连接好上位机1、电源模块2与检测控制单元3。初始化上位机1与控制单元3-1各部分程序，包括水平传感器3-2，深度传感器3-3及转速传感器3-4。
步骤2：将绳缆固定在吊环5-3，并且释放绳缆，在上位机1中读取搭载在采集仪上的深度传感器3-3的距离水面距离值。当快到达水底时，在上位机1中读出水平传感器3-2角度值，此时需要缓慢释放绳缆，让采集仪靠自身重力处于竖直垂直状态。
步骤3：整个仪器到达水底后，读取水平传感器3-2，判断此时仪器是否处于竖直状态，如果不垂直，需要缓慢调整采集仪使其竖直。待仪器竖直，通过上位机1发送指令，开启直流电机4-1，直流电机通过联轴器4-2与T型换向器4-4连接，此时T型换向器带动左右两个偏心块4-3做转向相反，位置对称的转动。振动器4产生竖直向下的力作用到采样桶6上，采样桶下挡板8与上挡板6-5向上打开，采集的沉积物进入采样桶，上挡板6-5上的水通过水流过孔6-4流出，防扰动支架7防止采集过程中出现倾斜。
步骤4：随着采集的深入，下层沉积物的密度较大导致下降的速度减慢，此时需要通过上位机1发送指令增加电机4-1的转速，增加振动器4的激振频率，使得底层密度较大的沉积物与采样管达到共振，进而增加采样深度。在采集沉积物过程中，读取深度传感器3-3判断此时进入沉积物的深度，与此同时也要读取水平传感器3-2观测采集仪的是否垂直于沉积物。读取转速传感器3-4观测电机运行状况，如果各部分出现不良情况需要采取必要的措施。
步骤5：采集完指定深度沉积物后，关闭整个系统的电源模块2，缓慢提拉采集仪。在仪器上升的过程中，受到沉积物向下的压力，下挡板8将会闭合，同时受到水压上挡板6-5也会闭合，此时沉积物被保存在采样桶中不会滑落。缓慢提拉整个采集仪至甲板。下放下挡板8与内部桶体6-3，先观看沉积物的原始物理状态，拍照记录，然后将采集的样品从采样管中取出然后进行妥善保存，以便后期做相关分析，至此采样结束。
下面结合附图对本发明的检测控制方法应用于某大型水库的具体实施方式进行详细的说明。
图5为根据本发明应用于水库沉积物智能化采集的流程图。
在步骤S500开始进行基于单片机的振动式沉积物采集。在步骤S501初始化各部分控制程序，包括上位机的操作界面程序与检测控制单元的各种传感器模块程序，并且给定初始化信号检查整个振动器的运行状况，待各部分检查完毕并且运行良好后，进行步骤S502开始释放采集仪。在步骤S502中需要不断进行步骤S503，即在上位机中不断读取深度传感器与水平传感器测得的沉积物采集仪的工作状态。通过观察上位机的各种信息，进行步骤S504判断采集仪是否到达水底，如果未到达水底则进行步骤S502继续下放采集仪，如果到达水底则进行步骤S505，判断采集仪是否竖直向下，如果采集仪不竖直向下则需要进行步骤S507，将采集仪缓慢调整使其依靠重力竖直向下，然后缓慢释放仪器至水底然后进行步骤S502，如果仪器竖直向下，则进行步骤S506。当采集仪进行步骤S506时，代表此时采集仪的状态是整个仪器运行状态良好并且采集仪竖直向下立于水底沉积物上。进行步骤S506，利用上位机向检测控制单元发送使电机以较小转速运转的指令，控制单元接收到上位机的指令后发出相应的调节信号，该信号通过驱动模块控制电机的转速。然后在上位机中读取水平传感器、深度传感器与转速传感器传来的信息，进行步骤S509，判断采集仪是否采集完成指定深度的沉积物，如果采集完成则进行步骤S510，完成采集，如果未完成，则进行步骤S511，判断采集仪是否逐渐深入水底沉积物中，如果没有深入，则进行步骤S513，判断电机是否运行正常，如果发现电机运行异常则需进行步骤S510结束采集。如果电机运行正常则进行步骤S514，上位机发送指令增加振动电机的转速，然后观察采集仪的运行状态。进行步骤S511时，如果采集仪逐渐深入水底沉积物中，则需进行步骤S515，判断采集仪在振动的过程中是否竖直向下垂直于水底沉积物，如果垂直于水底则继续观察采集仪的运行状态，如果采集仪没有垂直于水底则需进行步骤S507重新调整采集仪的状态重新采样。当采集完指定深度的样品则进行步骤S510，关闭电源，提拉采集仪至甲板，至此完成步骤S515，结束采样。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (2)
1.一种基于单片机的振动式沉积物采集仪，主要由绳缆、电缆、电源模块、检测控制单元、振动器、密封箱以及样品采集单元组成；其特征在于，
绳缆通过吊环连接着振动式沉积物采集仪的密封箱，在采集的过程中具有下放与提拉采集仪的作用；
电缆由上往下经过密封箱，连接电源模块、振动器与检测控制单元；电源模块为检测控制单元与振动器提供电能，振动器密封在密封箱中，样品采集单元通过螺栓固定在密封箱下面；
振动器由直流电机、T型换向器以及偏心块组成；直流电机动力输出轴连接在T型换向器的纵轴，两轴通过联轴器联接固定，直流电机直立在T型换向器上，直流电机连接着电缆；T型换向器采用由一个纵轴和两个转向相反的横轴连接形式，T型换向器的两个横轴通过螺纹连接两个形状与大小一样的偏心块；
检测控制单元由单片机控制系统、上位机、数据采集模块、深度传感器测量模块、水平传感器测量模块与转速传感器测量模块组成；单片机控制系统通过电缆连接着上位机，并且通过数据采集模块连接着三种传感器测量模块；上位机用来显示采集仪采集的沉积物情况，并且将控制指令发送到单片机控制系统；单片机控制系统密封在密封箱中；
深度传感器测量模块搭载在密封箱的外面，测量信号通过信号线输入到密封箱中的单片机控制系统；
水平传感器测量模块固定在密封箱中，通过信号线与单片机控制系统连接，水平传感器测量模块是用来测量采集仪在水下是否发生倾斜；
转速传感器测量模块固定于T型换向器边缘，通过信号线与单片机控制系统连接，用于测量电机的转速；
样品采集单元用来采集样品；
所述的样品采集单元由采样桶与防扰动支架组成，采样桶由两个桶体组成，内部桶体采用有机玻璃管，外部桶体采用金属桶体；内部桶体上端安装一个上挡板，外部桶体下端安装一个下挡板，下挡板与上挡板均通过铰链与采样桶连接；密封箱通过螺栓与采样桶的外部桶体连接，外部桶体通过固定螺栓与内部桶体连接；防扰动支架套在采样桶下端，用来防止采集仪发生倾斜。
2.根据权利要求1所述的振动式沉积物采集仪的控制方法，其特征在于以下步骤，
步骤1：采样前，固定好各部分，包括密封箱、采样桶、防扰动支架与下挡板，同时连接好上位机、电源模块与检测控制单元；初始化上位机与控制单元包括水平传感器、深度传感器及转速传感器；
步骤2：将绳缆固定在吊环，并且释放绳缆，在上位机中读取搭载在采集仪上的深度传感器的距离水面距离值；当快到达水底时，在上位机中读出水平传感器角度值，缓慢释放绳缆，让采集仪依靠自身重力处于竖直垂直状态；
步骤3：整个仪器到达水底后，读取水平传感器，判断此时仪器是否处于竖直状态，如果不垂直，需要缓慢调整采集仪使其竖直；待仪器竖直，通过上位机发送指令，开启直流电机，直流电机通过联轴器与T型换向器连接，此时T型换向器带动左右两个偏心块做转向相反，位置对称的转动；振动器产生竖直向下的力作用到采样桶上，采样桶下挡板与上挡板向上打开，采集的沉积物进入采样桶，上挡板上的水通过水流过孔流出，防扰动支架防止采集过程中出现倾斜；
步骤4：随着采集的深入，下层沉积物的密度较大导致下降的速度减慢，此时需要通过上位机发送指令增加电机的转速，增加振动器的激振频率，使得底层密度较大的沉积物与采样管达到共振，进而增加采样深度；在采集沉积物过程中，读取深度传感器判断此时进入沉积物的深度，与此同时也要读取水平传感器观测采集仪的是否垂直于沉积物；读取转速传感器观测电机运行状况；
步骤5：采集完指定深度沉积物后，关闭整个系统的电源模块，缓慢提拉采集仪；在仪器上升的过程中，受到沉积物向下的压力，下挡板将会闭合，同时受到水压上挡板也会闭合，此时沉积物被保存在采样桶中不会滑落；缓慢提拉整个采集仪至甲板；下放下挡板与内部桶体，先观看沉积物的原始物理状态，拍照记录，然后将采集的样品从采样管中取出然后进行妥善保存，以便后期做相关分析，至此采样结束。
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