CN107765611A - 一种海洋要素垂直剖面测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海洋要素垂直剖面测量装置，包括数据采集单元、串口通信单元、单片机控制单元、存储单元、限位开关单元、机械执行单元和供电单元；所述数据采集单元测量海水温度、盐度、深度等参数，采集的参数通过所述串口通信单元上传给所述单片机控制单元；所述数据采集单元所采集的参数经所述单片机控制单元处理之后由SPI接口送入所述存储单元进行保存。本发明采用C8051F340和直流电机，结合集成传感器、串口通信、开关继电器和SD卡存储技术，实现了棘爪机构单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三种状态的控制及测量数据的海量存储，采集数据的读出简单易行，实现了长期、定点、连续在水下各个层面采集海洋要素的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种海洋要素垂直剖面测量装置。
背景技术
探测技术是促进海洋科学逐渐走向成熟的关键因素之一，海洋科学从物理、生物到地质，从海气交换到大洋剖面水体，探测尺度和范围跨越时间和空间几十个数量级。目前随着探测技术的发展，海洋科学发展所依赖的海洋数据获取方式正在从“考察”向“探测”转变，而且海洋环境监测已进入从空间、沿岸、水面及水下对海洋环境进行全方位、全天候立体监测的时代。然而，目前我国大部分的海洋环境监测技术仍然依靠船舶观测和台站观测技术周期性的采集海洋表层或有限的一些水层的要素数据，对于海洋次表层以及深层水下的资料十分稀缺。随着人们对海洋科学认知需求的提升，仅仅依靠表层或有限水层的要素数据，难以对我国广阔海域的物理、生物、化学环境等多方面状况进行深入了解，无法满足全方位的立体监测要求，不能适应我国海洋经济发展的需要。
有效获取、连续监测我国近岸浅海区域不同深度的剖面海洋参数，在预报和减灾上可以为海洋环境数值预报和灾害性海况遥测提供数据资料；在军事上可以提供海洋环境实测数据，用于声纳作为距离预报和潜艇航行航道保障；在海洋养殖中可以预报海水水体环境变化规律，控制生物最佳养殖环境。因此，在当前的经济与技术发展水平条件下，如何实现有效获取海面以下水体垂直剖面的海洋环境要素数据已成为我国海洋环境监测中关键的一环。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种海洋要素垂直剖面测量装置，可实现长期、定点、连续在水下各个层面采集海洋要素，并实时将测量数据存储到SD卡。
(二)技术方案
一种海洋要素垂直剖面测量装置，包括数据采集单元、串口通信单元、单片机控制单元、存储单元、限位开关单元、机械执行单元和供电单元；所述数据采集单元测量海水温度、盐度、深度等参数，采集的参数通过所述串口通信单元上传给所述单片机控制单元；所述数据采集单元所采集的参数经所述单片机控制单元处理之后由SPI接口送入所述存储单元进行保存；所述单片机控制单元输出电平信号控制所述限位开关单元的开启和闭合，从而驱动所述机械执行单元动作；所述供电单元分别为系统提供±24V、+5V和+3.3V工作电压；
所述数据采集单元位于所述机械执行单元端部，所述机械执行单元包括直流电机、棘爪机构和滑行器，所述限位开关单元控制所述直流电机转到预定位置，驱动所述滑行器下潜或上浮，实现所述棘爪机构的单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三个状态，从而带动所述数据采集单元下沉或上浮进行参数采集；所述数据采集单元选用高精度集成海洋专用温盐深仪XR-420-CTD，输出数字信号，通过所述串口通信单元与所述单片机控制单元进行数据传输；所述单片机控制单元选用C8051F340单片机。
进一步的，所述串口通信单元包括电平转换芯片和第一～第五电容，其中所述电平转换芯片选用MAX3232。
进一步的，所述存储单元包括存储器、第一连接器、第六～第九电容和第一～第七电阻，其中所述存储器选用SD卡，所述第一连接器为10针连接器，所述第九电容为电解电容。
进一步的，所述限位开关单元包括固态继电器、双刀双掷延时电磁继电器、二极管和第二连接器，所示第二连接器为4针连机器。
(三)有益效果
本发明提供了一种海洋要素垂直剖面测量装置，采用C8051F340和直流电机，结合集成传感器、串口通信、开关继电器和SD卡存储技术，实现了棘爪机构单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三种状态的控制及测量数据的海量存储，采集数据的读出简单易行，实现了长期、定点、连续在水下各个层面采集海洋要素的目的，其结构简单，体积小巧，系统功耗低，检测精度高，灵活性好，可控性强，适用的海域范围广。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种海洋要素垂直剖面测量装置的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种海洋要素垂直剖面测量装置的串口通信单元电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种海洋要素垂直剖面测量装置的存储单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种海洋要素垂直剖面测量装置的限位开关单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种海洋要素垂直剖面测量装置，包括数据采集单元、串口通信单元、单片机控制单元、存储单元、限位开关单元、机械执行单元和供电单元；数据采集单元测量海水温度、盐度、深度等参数，采集的参数通过串口通信单元上传给单片机控制单元；数据采集单元所采集的参数经单片机控制单元处理之后由SPI接口送入存储单元进行保存；单片机控制单元输出电平信号控制限位开关单元的开启和闭合，从而驱动机械执行单元动作；供电单元分别为系统提供±24V、+5V和+3.3V工作电压；
数据采集单元位于机械执行单元端部，机械执行单元包括直流电机、棘爪机构和滑行器，限位开关单元控制直流电机转到预定位置，驱动滑行器下潜或上浮，实现棘爪机构的单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三个状态，从而带动数据采集单元下沉或上浮进行参数采集；数据采集单元选用高精度集成海洋专用温盐深仪XR-420-CTD，输出数字信号，通过串口通信单元与单片机控制单元进行数据传输；单片机控制单元选用C8051F340单片机。
C8051F340是一种典型的高性能单片机，是完全集成的混合信号片上微控制器，与MCS-51指令系统完全兼容。采用高速流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。C8051F340具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、10位ADC和DAC，电源管理器、定时器、内部低频振荡器等，并具备多种总线接口，包括USB、UARTs、SPI、I2C等。它采用Flash ROM技术，具有64KB的片内Flash存储器，256B的片内RAM和4KB的片内XRAM，40个I/O端口。
数据采集单元选用高精度集成海洋专用温盐深仪XR-420-CTD，可以测量温度、盐度、深度等参数，输出直接是数字量。由于传感器XR-420-CTD输出接口为标准串口电平，而单片机C8051F340接口为TTL电平，因此需要进行电平转换才能连接通信。如图2所示，串口通信单元包括电平转换芯片U2和电容C1～C5，其中电平转换芯片U2选用MAX3232。U1为传感器XR-420-CTD，采集的参数数字信号通过MAX3232上传给单片机C8051F340进行处理。
长期、定点、连续的海洋环境监测采集的数据量非常大，因此采用外挂大容量存储器的方式进行数据的实时保存。如图3所示，存储单元包括存储器U4、连接器J1、电容C6～C9和电阻R1～R7，其中存储器U4选用SD卡，连接器J1为10针连接器，电容C9为电解电容。U3为单片机C8051F340。系统对数据存储器具有容量大，可靠性高的要求，而SD卡因其耐用、可靠、安全、容量大、体积小、便于携带和兼容性好等优点非常适合用于海洋环境监测系统的数据存储。SD卡是一种基于Flash技术的存储卡，性价比很高，接口简单。SD卡支持SD模式和SPI模式，本系统中采用SPI接口与单片机C8051F340连接。
单片机C8051F340通过限位开关单元的开启和闭合驱动机械执行单元动作，从而带动传感器XR-420-CTD下沉或上浮。如图4所示，限位开关单元包括固态继电器U5、双刀双掷延时电磁继电器Relay1、二极管D1和连接器J2，其中连接器J2为4针连机器。采用固态继电器U5和双刀双掷延时电磁继电器Relay1组成系统的限位开关，限位开关作为单片机C8051F340的一个输入端，当直流电机转到预定的位置时，限位开关闭合，发送低电平信号给单片机C8051F340，单片机C8051F340收到低电平信号后发出使直流电机停转的指令。固态继电器U5是由固态元件组成的无触点开关器件，具有驱动功率小、噪声低、可靠性好以及抗干扰能力强等优点。由于单片机C8051F340的输出无法提供给电磁继电器Relay1足够的电压，所以选用固态继电器U5来带动电磁继电器Relay1。
SD卡同时保存棘爪机构的单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三个运动状态数据。当滑行器下潜时，棘爪机构处于单向抓紧状态，直达海底或系统预置的测量深度；当棘爪机构处于自由态势时，滑行器失去啮合力，也完全处于自由状态，由于滑行器是一正浮力载体，所以滑行器将在浮力作用下上浮，。传感器XR-420-CTD随滑行器下潜或上浮完成对海洋要素的采集，由单片机C8051F340完成对SD卡的读写操作，将数据存储在SD卡中，便于在PC机上进行数据的分析、处理、显示、打印等操作。
本发明提供了一种海洋要素垂直剖面测量装置，采用C8051F340和直流电机，结合集成传感器、串口通信、开关继电器和SD卡存储技术，实现了棘爪机构单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三种状态的控制及测量数据的海量存储，采集数据的读出简单易行，实现了长期、定点、连续在水下各个层面采集海洋要素的目的，其结构简单，体积小巧，系统功耗低，检测精度高，灵活性好，可控性强，适用的海域范围广。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (4)
1.一种海洋要素垂直剖面测量装置，其特征在于：包括数据采集单元、串口通信单元、单片机控制单元、存储单元、限位开关单元、机械执行单元和供电单元；所述数据采集单元测量海水温度、盐度、深度等参数，采集的参数通过所述串口通信单元上传给所述单片机控制单元；所述数据采集单元所采集的参数经所述单片机控制单元处理之后由SPI接口送入所述存储单元进行保存；所述单片机控制单元输出电平信号控制所述限位开关单元的开启和闭合，从而驱动所述机械执行单元动作；所述供电单元分别为系统提供±24V、+5V和+3.3V工作电压；
所述数据采集单元位于所述机械执行单元端部，所述机械执行单元包括直流电机、棘爪机构和滑行器，所述限位开关单元控制所述直流电机转到预定位置，驱动所述滑行器下潜或上浮，实现所述棘爪机构的单向抓紧、阻尼锁定和自由上浮三个状态，从而带动所述数据采集单元下沉或上浮进行参数采集；所述数据采集单元选用高精度集成海洋专用温盐深仪XR-420-CTD，输出数字信号，通过所述串口通信单元与所述单片机控制单元进行数据传输；所述单片机控制单元选用C8051F340单片机。
2.根据权利要求1所述的一种海洋要素垂直剖面测量装置，其特征在于：所述串口通信单元包括电平转换芯片和第一～第五电容，其中所述电平转换芯片选用MAX3232。
3.根据权利要求1所述的一种海洋要素垂直剖面测量装置，其特征在于：所述存储单元包括存储器、第一连接器、第六～第九电容和第一～第七电阻，其中所述存储器选用SD卡，所述第一连接器为10针连接器，所述第九电容为电解电容。
4.根据权利要求1所述的一种海洋要素垂直剖面测量装置，其特征在于：所述限位开关单元包括固态继电器、双刀双掷延时电磁继电器、二极管和第二连接器，所示第二连接器为4针连机器。
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| CN201711275736.XA CN107765611A (zh) | 2017-12-06 | 2017-12-06 | 一种海洋要素垂直剖面测量装置 |
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| CN201711275736.XA CN107765611A (zh) | 2017-12-06 | 2017-12-06 | 一种海洋要素垂直剖面测量装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109933047A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-06-25 | 北京航空航天大学 | 一种软硬件混合系统的联合可靠性试验剖面构造方法 |
-
2017
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