高金龍　李新娟　蔣慶林

摘要：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的自容式CTD采水控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用蓄電池供電，通過CTD傳感器采集并存儲(chǔ)溫鹽深數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)周圍海水壓力作為采水控制的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度海水的自動(dòng)取樣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]采水STM32F103ZET6控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海水的溫度、鹽度、深度是海洋水文調(diào)查和海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)首先要采取相應(yīng)的水質(zhì)樣本，從而得到目的深度海水的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水資源的多層次采樣具有重大的科研價(jià)值。本文立足于高效率、高精度的樣本采集需求，設(shè)計(jì)了一種多深度CTD采水控制系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)溫鹽深數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、自動(dòng)采水等功能。

1控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，CTD采水測(cè)控系統(tǒng)的組成如圖1所示。其中單片機(jī)位于控制艙內(nèi)，根據(jù)CTD傳感器采集的數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)周圍海水壓力值，實(shí)時(shí)計(jì)算得到深度值，在設(shè)置好的的深度下發(fā)送采水信號(hào)給釋放機(jī)構(gòu)，觸發(fā)相應(yīng)的采水器采集水樣。

自主式CTD采水器控制系統(tǒng)單片機(jī)主控模塊位于特殊制造的密封艙內(nèi)。由于密封艙需要承受外界海水壓力，因此單片機(jī)主控模塊的尺寸應(yīng)盡量小，外形應(yīng)盡量細(xì)長(zhǎng)，否則密封艙的尺寸、壁厚和重量都會(huì)加大。整個(gè)控制系統(tǒng)采用蓄電池供電，因此應(yīng)采用低功耗設(shè)計(jì)，同時(shí)，為保證系統(tǒng)正常工作，要求控制系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。

因此，要求設(shè)計(jì)的取樣控制系統(tǒng)必須具有以下功能：系統(tǒng)的工作參數(shù)可調(diào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍海水溫鹽深參數(shù)、電源管理、異常處理等，能夠?qū)崿F(xiàn)自主式采水控制。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、電源模塊、CTD傳感器、EEPROM存儲(chǔ)模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、固態(tài)繼電器組等，如圖2所示。

單片機(jī)主控模塊采用STM32F103ZET6作為系統(tǒng)核心控制芯片，內(nèi)置32位Corex-M3內(nèi)核，最高工作頻率為72MHZ，支持ADC、USART、SDIO等模塊，具有超低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，適用于電力電子系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制等領(lǐng)域。

電源模塊主要由蓄電池和電源轉(zhuǎn)換芯片組成。蓄電池提供的24V電壓直接提供給CTD傳感器、繼電器組;采用電源轉(zhuǎn)換芯片K7803-500R3將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V之后給單片機(jī)系統(tǒng)供電。

由于STM32F103ZET6內(nèi)部集成了12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可用于監(jiān)測(cè)蓄電池電壓，通過電平轉(zhuǎn)換之后輸入給單片機(jī)。

單片機(jī)的I/O模塊輸出信號(hào)控制繼電器組，通過電磁釋放機(jī)構(gòu)打開采樣瓶，實(shí)現(xiàn)整個(gè)取樣過程的自動(dòng)控制。

EEPROM存儲(chǔ)模塊采用FM24CL16，用于工作參數(shù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)中采用兩個(gè)并行I/O口進(jìn)行軟件模擬產(chǎn)生I2C總線時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。SD卡存儲(chǔ)模塊通過單片機(jī)自帶的標(biāo)準(zhǔn)SD卡接口，用于存儲(chǔ)工作過程中的采集數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等。

固態(tài)繼電器組由6個(gè)H3MB-052D繼電器組成，采用高電平觸發(fā)，具有靈敏度高、電磁干擾小、控制功率小的特點(diǎn)。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采水器控制系統(tǒng)軟件程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用KeilMDK開發(fā)環(huán)境，主要完成命令的收發(fā)、參數(shù)存儲(chǔ)、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及采水控制等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)功能模塊：系統(tǒng)初始化模塊、串口通信模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、A/D定時(shí)中斷數(shù)據(jù)處理模塊以及固態(tài)繼電器控制模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊等。

控制系統(tǒng)軟件的主要工作流程如圖3所示?？刂瞥绦蛟谙到y(tǒng)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，然后讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的數(shù)據(jù)，包括預(yù)先設(shè)置的采水深度、系統(tǒng)采水狀態(tài)等?？刂葡到y(tǒng)采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓檢測(cè)、溫鹽深數(shù)據(jù)獲取、SD卡存儲(chǔ)等操作。當(dāng)根據(jù)CTD傳感器采集數(shù)據(jù)計(jì)算得到的系統(tǒng)所在深度與預(yù)設(shè)深度相近時(shí)，單片機(jī)給出對(duì)應(yīng)深度的采水觸發(fā)信號(hào)，截取當(dāng)前深度水樣到相應(yīng)的采水瓶中。當(dāng)采水狀態(tài)發(fā)生變化后，實(shí)時(shí)更新工作狀態(tài)并寫入到EEPROM中存儲(chǔ)。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于STM32的CTD分層采水控制系統(tǒng)，并給出了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能模塊，能夠獲取并存儲(chǔ)海水垂直剖面的溫鹽深等參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)采集6種深度的海水樣本，具有集成度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)，可用于海洋科學(xué)研究和海洋調(diào)查領(lǐng)域。

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