CN109164731A - 一种高精度原位海水pH传感器控制系统及控制方法 - Google Patents

一种高精度原位海水pH传感器控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度原位海水pH传感器控制系统，其改进之处在于：所述的控制系统包括微处理器，与微处理器电连接并受其控制的蠕动泵驱动模块、脉冲泵驱动模块、换向阀驱动模块、恒流光源驱动模块、光谱仪通信模块、温度传感器通信模块、盐度传感器通信模块、上位机通信模块、数据存储模块和潮湿度报警模块，电源模块为控制系统内的各部件供电。本发明所公开的控制系统，硬件架构采取模块化设计，体积小，集成度和自动化程度高，硬件结构精巧，功耗低，具有过电流、过电压以及漏液和潮湿度保护功能，工作更加稳定。

Description

一种高精度原位海水pH传感器控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于仪器仪表领域，特别涉及该领域中的一种高精度原位海水pH传感器控制系统及控制方法。
背景技术
海水pH值是定量描述海洋化学特征的重要参数之一，对研究海水酸化和碳循环具有重要意义。目前，对海水pH值的精确测量普遍采用基于分光光度法的测量方式，并逐渐成为标准测量方法，然而此类方法在实施上存在一定的难度，大部分仍然处于实验室测量阶段。在仪器设计方面，需要在仪器内集成液路、电路、光路等通路，这就对仪器的集成度提出要求；在技术方面，仪器工作时液路换向、液路驱动等对仪器的整体稳定运行和功耗有较大影响，如何实现各部分的低功耗稳定运行也是需要考虑的问题；在信号采集与处理方面，该方法需要准确地光强测量来保证精度；另外，考虑到仪器长时间工作于水下，仪器舱体内潮湿度过高甚至漏水将对仪器有不良影响。目前国内外研究人员研制的一系列基于分光光度法的海水pH值测量系统，大多体积庞大笨拙，操作复杂，很难满足推广要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于分光光度法设计的高精度原位海水pH传感器控制系统及控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种高精度原位海水pH传感器控制系统，其改进之处在于：所述的控制系统包括微处理器，与微处理器电连接并受其控制的蠕动泵驱动模块、脉冲泵驱动模块、换向阀驱动模块、恒流光源驱动模块、光谱仪通信模块、温度传感器通信模块、盐度传感器通信模块、上位机通信模块、数据存储模块和潮湿度报警模块，电源模块为控制系统内的各部件供电。
进一步的，所述的微处理器包括上电复位电路、基本时钟电路、实时时钟电路和程序测试电路；其中上电复位电路是由电阻和电容串联而成的一阶RC网络，电阻阻值10kΩ，电容容值100nF，电阻和电容的联结点接微处理器的复位引脚；程序测试电路是在微处理器的引脚上串联电阻和LED并接地。
进一步的，微处理器优选STM32RCT6型单片机，基本时钟频率由8MHz有源晶振提供，实时时钟频率由32.768kHz无源晶振提供。
进一步的，所述的蠕动泵驱动模块由集成步进电机驱动器芯片及其外围电路组成，微处理器控制引脚向蠕动泵驱动模块输出0~10kHz的PWM信号，对应蠕动泵转速0~10档，蠕动泵驱动模块将蠕动泵功率限制在10W以内，瞬时电流限制在3A以内；所述的脉冲泵驱动模块为继电器，微处理器通过控制引脚输出低频脉冲控制NPN型三极管在截止区和饱和区之间切换，经过NPN型三极管扩流后的电流控制继电器在常开常闭触点之间切换，从而控制脉冲泵的启停；所述的换向阀驱动模块为4路达林顿管，分别控制4路换向阀，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路达林顿管的截止或饱和，从而调整相应换向阀的方向。
进一步的，所述的恒流光源驱动模块为3路精度在1%以内的恒流源，通过配置电阻将三路恒流源的电流均设定为20mA，通过调整微处理器DA引脚输出电压或配置电阻可以改变恒流源的电流大小，恒流源的电流最高不超过50mA，每路恒流源与1个LED光源电连接，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路恒流源的开关，从而控制相应LED光源的开关。
进一步的，所述的光谱仪通信模块和温度传感器通信模块为TTL/RS232串口电路，盐度传感器通信模块为TTL/RS485串口电路，上位机通信模块为RS485串口电路。
进一步的，所述的数据存储模块为TF卡，潮湿度报警模块为潮湿度检测电阻，微处理器通过AD引脚采集潮湿度检测电阻的电阻分压。
进一步的，所述的电源模块包括与直流12V供电端电连接的保护电路，该保护电路依次通过直流12V转5V电源电路和直流5V转3.3V电源电路与微处理器电连接，微处理器后备寄存器电源与微处理器电连接，电源管理电路与微处理器电连接并受其控制，电源管理电路的电源输入端分别与保护电路和直流12V转5V电源电路的电源输出端电连接，电源管理电路的电源输出端则分别与直流12V可控电源和直流5V可控电源的电源输入端电连接，直流12V可控电源为蠕动泵、脉冲泵和换向阀供电，直流5V可控电源为恒流光源驱动模块、光谱仪、温度传感器和盐度传感器供电。
进一步的，保护电路把电压限制在18V以内，通过反并接阈值为18V的瞬态抑制二极管实现，把电流限制在5A以内，通过自恢复保险丝实现；直流12V转5V电源电路为开关电源电路，由集成开关电源芯片搭建降压电路实现；直流5V转3.3V电源电路为线性电源电路，由集成线性电源芯片实现；微处理器后备寄存器电源由可充电纽扣锂电池提供；电源管理电路由微处理器控制N沟道型MOS管的通断实现，微处理器控制引脚输出高电平为接通，低电平为关断；不同电压等级电源、数字电源、模拟电源的参考地通过磁珠和0Ω电阻单点联结隔离。
一种高精度原位海水pH传感器控制方法，使用上述的控制系统，其改进之处在于：由电源模块为控制系统内的各部件供电；微处理器通过蠕动泵驱动模块控制蠕动泵工作、通过脉冲泵驱动模块控制脉冲泵启停、通过换向阀驱动模块控制换向阀的方向、通过恒流光源驱动模块控制LED光源的开关和亮度；微处理器通过光谱仪通信模块、温度传感器通信模块和盐度传感器通信模块对光谱仪、温度传感器和盐度传感器进行校准、参数配置和数据读取；微处理器通过上位机通信模块与上位机通信，实现上位机对控制系统的参数配置、下载、固件更新和数据读取；微处理器通过数据存储模块存储控制系统采集的数据；微处理器通过潮湿度报警模块判断控制系统舱体潮湿度和是否漏水，若检测到控制系统舱体内潮湿度超过设定阈值，将保存当前工作状态，向上位机发出报警信号，等待处理或停机；上述流程固化于微处理器片内FLASH中，微处理器能够按照该流程单次运行或定时连续运行。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的控制系统，硬件架构采取模块化设计，体积小，集成度和自动化程度高，硬件结构精巧，功耗低，具有过电流、过电压以及漏液和潮湿度保护功能，工作更加稳定。在某些部件不使用时，可通过电源管理电路切断其电源，以便降低功耗。由磁珠和0Ω电阻单点联结组成电源隔离电路，以免控制系统运行时不同电压等级电源、数字电源和模拟电源之间彼此相互干扰。
本发明所公开的控制方法，充分考虑到控制系统在运行过程中的技术问题，能够实现海水pH精确测量流程的控制以及数据处理。采取模块化设计思路，既可以下载流程和参数也能够方便后续功能添加和升级。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开控制系统的整体控制架构示意图；
图2是本发明实施例1所公开控制系统中电源模块的组成及连接关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种高精度原位海水pH传感器控制系统，所述的控制系统包括微处理器，与微处理器电连接并受其控制的蠕动泵驱动模块、脉冲泵驱动模块、换向阀驱动模块、恒流光源驱动模块、光谱仪通信模块、温度传感器通信模块、盐度传感器通信模块、上位机通信模块、数据存储模块和潮湿度报警模块，电源模块为控制系统内的各部件供电。
在本实施例中，所述的微处理器包括上电复位电路、基本时钟电路、实时时钟（RTC）电路和程序测试电路；微处理器在上电后应等待其他设备准备就绪后方可工作，上电复位电路是由电阻和电容串联而成的一阶RC网络，电阻阻值10kΩ，电容容值100nF，电阻和电容的联结点接微处理器的复位引脚；程序测试电路是在微处理器的引脚上串联电阻和LED并接地，可以通过编程测试系统的运行状态是否正常。微处理器优选STM32RCT6型单片机，基本时钟频率由8MHz有源晶振提供，实时时钟频率由32.768kHz无源晶振提供。
所述的蠕动泵驱动模块由集成步进电机驱动器芯片及其外围电路组成，微处理器控制引脚向蠕动泵驱动模块输出0~10kHz的PWM信号，对应蠕动泵转速0~10档，蠕动泵驱动模块将蠕动泵功率限制在10W以内，瞬时电流限制在3A以内；所述的脉冲泵驱动模块为继电器，微处理器通过控制引脚输出低频脉冲控制NPN型三极管在截止区和饱和区之间切换，经过NPN型三极管扩流后的电流控制继电器在常开常闭触点之间切换，从而控制脉冲泵的启停；所述的换向阀驱动模块为4路达林顿管，分别控制4路换向阀，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路达林顿管的截止或饱和，从而调整相应换向阀的方向，上述达林顿管驱动通道冗余可拓展。
所述的恒流光源驱动模块为3路精度在1%以内的恒流源，通过配置电阻将三路恒流源的电流均设定为20mA，通过调整微处理器DA引脚输出电压或配置电阻可以改变恒流源的电流大小，恒流源的电流最高不超过50mA，每路恒流源与1个LED光源电连接，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路恒流源的开关，从而控制相应LED光源的开关。恒流源可以保证LED光源的亮度稳定。
所述的光谱仪通信模块和温度传感器通信模块为TTL/RS232串口电路，盐度传感器通信模块为TTL/RS485串口电路，上位机通信模块为RS485串口电路，以便提高通信距离和稳定性。
所述的数据存储模块为TF卡，潮湿度报警模块为潮湿度检测电阻，该潮湿度检测电阻的阻值随仪器舱体内潮湿度的增加而降低，微处理器通过AD引脚采集潮湿度检测电阻的电阻分压，以便判断控制系统舱体潮湿度和是否漏水。
如图2所示，所述的电源模块包括与直流12V供电端电连接的保护电路，该保护电路依次通过直流12V转5V电源电路和直流5V转3.3V电源电路与微处理器电连接，微处理器后备寄存器电源与微处理器电连接，电源管理电路与微处理器电连接并受其控制，电源管理电路的电源输入端分别与保护电路和直流12V转5V电源电路的电源输出端电连接，电源管理电路的电源输出端则分别与直流12V可控电源和直流5V可控电源的电源输入端电连接，直流12V可控电源为蠕动泵、脉冲泵和换向阀供电，直流5V可控电源为恒流光源驱动模块、光谱仪、温度传感器和盐度传感器供电。
保护电路具有电压瞬态抑制保护和过流保护功能，把电压限制在18V以内，通过反并接阈值为18V的瞬态抑制二极管实现，把电流限制在5A以内，通过自恢复保险丝实现；直流12V转5V电源电路为开关电源电路，由集成开关电源芯片搭建降压电路（Buck电路）实现；直流5V转3.3V电源电路为线性电源电路，为微处理器供电，由集成线性电源芯片实现；微处理器后备寄存器电源由可充电纽扣锂电池提供，作为微处理器的后备电源使用；电源管理电路由微处理器控制N沟道型MOS管的通断实现，微处理器控制引脚输出高电平为接通，低电平为关断，以便在某些部件不使用时切断其电源（直流12V可控电源或者直流5V可控电源）；不同电压等级电源、数字电源、模拟电源的参考地通过磁珠和0Ω电阻单点联结隔离。
本实施例还公开了一种高精度原位海水pH传感器控制方法，使用上述的控制系统，由电源模块为控制系统内的各部件供电；微处理器通过蠕动泵驱动模块控制蠕动泵工作、通过脉冲泵驱动模块控制脉冲泵启停、通过换向阀驱动模块控制换向阀的方向、通过恒流光源驱动模块控制LED光源的开关和亮度；微处理器通过光谱仪通信模块、温度传感器通信模块和盐度传感器通信模块对光谱仪、温度传感器和盐度传感器进行校准、参数配置和数据读取；微处理器通过上位机通信模块与上位机通信，实现上位机对控制系统的参数配置、下载、固件更新和数据读取；微处理器通过数据存储模块存储控制系统采集的数据；微处理器通过潮湿度报警模块判断控制系统舱体潮湿度和是否漏水，若检测到控制系统舱体内潮湿度超过设定阈值，将保存当前工作状态，向上位机发出报警信号，等待处理或停机；上述流程固化于微处理器片内FLASH中，微处理器能够按照该流程单次运行或定时连续运行。

Claims (10)

1.一种高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的控制系统包括微处理器，与微处理器电连接并受其控制的蠕动泵驱动模块、脉冲泵驱动模块、换向阀驱动模块、恒流光源驱动模块、光谱仪通信模块、温度传感器通信模块、盐度传感器通信模块、上位机通信模块、数据存储模块和潮湿度报警模块，电源模块为控制系统内的各部件供电。
2.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的微处理器包括上电复位电路、基本时钟电路、实时时钟电路和程序测试电路；其中上电复位电路是由电阻和电容串联而成的一阶RC网络，电阻阻值10kΩ，电容容值100nF，电阻和电容的联结点接微处理器的复位引脚；程序测试电路是在微处理器的引脚上串联电阻和LED并接地。
3.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：微处理器优选STM32RCT6型单片机，基本时钟频率由8MHz有源晶振提供，实时时钟频率由32.768kHz无源晶振提供。
4.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的蠕动泵驱动模块由集成步进电机驱动器芯片及其外围电路组成，微处理器控制引脚向蠕动泵驱动模块输出0~10kHz的PWM信号，对应蠕动泵转速0~10档，蠕动泵驱动模块将蠕动泵功率限制在10W以内，瞬时电流限制在3A以内；所述的脉冲泵驱动模块为继电器，微处理器通过控制引脚输出低频脉冲控制NPN型三极管在截止区和饱和区之间切换，经过NPN型三极管扩流后的电流控制继电器在常开常闭触点之间切换，从而控制脉冲泵的启停；所述的换向阀驱动模块为4路达林顿管，分别控制4路换向阀，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路达林顿管的截止或饱和，从而调整相应换向阀的方向。
5.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的恒流光源驱动模块为3路精度在1%以内的恒流源，通过配置电阻将三路恒流源的电流均设定为20mA，通过调整微处理器DA引脚输出电压或配置电阻可以改变恒流源的电流大小，恒流源的电流最高不超过50mA，每路恒流源与1个LED光源电连接，微处理器通过引脚输出电平信号控制某路恒流源的开关，从而控制相应LED光源的开关。
6.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的光谱仪通信模块和温度传感器通信模块为TTL/RS232串口电路，盐度传感器通信模块为TTL/RS485串口电路，上位机通信模块为RS485串口电路。
7.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的数据存储模块为TF卡，潮湿度报警模块为潮湿度检测电阻，微处理器通过AD引脚采集潮湿度检测电阻的电阻分压。
8.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：所述的电源模块包括与直流12V供电端电连接的保护电路，该保护电路依次通过直流12V转5V电源电路和直流5V转3.3V电源电路与微处理器电连接，微处理器后备寄存器电源与微处理器电连接，电源管理电路与微处理器电连接并受其控制，电源管理电路的电源输入端分别与保护电路和直流12V转5V电源电路的电源输出端电连接，电源管理电路的电源输出端则分别与直流12V可控电源和直流5V可控电源的电源输入端电连接，直流12V可控电源为蠕动泵、脉冲泵和换向阀供电，直流5V可控电源为恒流光源驱动模块、光谱仪、温度传感器和盐度传感器供电。
9.根据权利要求1所述的高精度原位海水pH传感器控制系统，其特征在于：保护电路把电压限制在18V以内，通过反并接阈值为18V的瞬态抑制二极管实现，把电流限制在5A以内，通过自恢复保险丝实现；直流12V转5V电源电路为开关电源电路，由集成开关电源芯片搭建降压电路实现；直流5V转3.3V电源电路为线性电源电路，由集成线性电源芯片实现；微处理器后备寄存器电源由可充电纽扣锂电池提供；电源管理电路由微处理器控制N沟道型MOS管的通断实现，微处理器控制引脚输出高电平为接通，低电平为关断；不同电压等级电源、数字电源、模拟电源的参考地通过磁珠和0Ω电阻单点联结隔离。
10.一种高精度原位海水pH传感器控制方法，使用权利要其1所述的控制系统，其特征在于：由电源模块为控制系统内的各部件供电；微处理器通过蠕动泵驱动模块控制蠕动泵工作、通过脉冲泵驱动模块控制脉冲泵启停、通过换向阀驱动模块控制换向阀的方向、通过恒流光源驱动模块控制LED光源的开关和亮度；微处理器通过光谱仪通信模块、温度传感器通信模块和盐度传感器通信模块对光谱仪、温度传感器和盐度传感器进行校准、参数配置和数据读取；微处理器通过上位机通信模块与上位机通信，实现上位机对控制系统的参数配置、下载、固件更新和数据读取；微处理器通过数据存储模块存储控制系统采集的数据；微处理器通过潮湿度报警模块判断控制系统舱体潮湿度和是否漏水，若检测到控制系统舱体内潮湿度超过设定阈值，将保存当前工作状态，向上位机发出报警信号，等待处理或停机；上述流程固化于微处理器片内FLASH中，微处理器能够按照该流程单次运行或定时连续运行。
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