懸移質泥沙自動監測儀設計

劉玉潔

（北京林業大學，北京，100083）

懸移質泥沙自動監測儀設計

劉玉潔

（北京林業大學，北京，100083）

以單片機STM32為核心設計一款適用于野外的懸移質泥沙自動監測儀。通過GPRS模塊將重力傳感器等測量模塊測得的數據傳送至遠程終端，實現實時監測野外水土保持情況的功能。通過ADS1256與單片機連接實現所測數據的模數轉換。實現高精度測量，實時傳輸，具有一定的實用價值。

懸移質泥沙；自動監測；設計

0 引言

懸移質泥沙的測量對研究環境污染物質遷移、土壤侵蝕溯源分析等諸多方面至關重要，目前懸移質泥沙的測量處于人工或機械階段，且汛期時，測量難度加大。本文設計具有自動測量懸移質泥沙含量、流量及液位，GPRS數據遠程傳送，太陽能供電，任意設定固定采集周期的懸移質泥沙自動監測儀（稱重式）。

1 系統硬件設計

1.1 監測儀的硬件結構

懸移質泥沙自動監測儀用于野外監測泥沙含量和各項環境參數，其核心CPU是STM32芯片，時鐘頻率為32MHz，獨立完成從采集樣品，稱量獲得數據，存儲，遠程傳輸和顯示的功能。其中泥沙含量的實時數據由模擬采集電路通過高精度的測力傳感器LCS-D1采集。顯示模塊為TFTLCD液晶顯示屏。存儲模塊為SD卡的片上存儲方式，通過SPI通信接口使其可以通過SPI通道進行數據讀寫。[1]數據存儲和記錄的規律為每分鐘記錄一次泥沙含量，占用1個字節，每分鐘顯示一遍時間：年/月/日,占用4個字節。

1.2 開關驅動電路設計

開關驅動電路采用光耦隔離繼電器驅動電路。單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅動電流在毫安(mA)級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如本文中所涉及的控制水泵、電磁閥、電機，顯然是不行的。所以就要有一個環節來銜接，這個環節就是所謂的“功率驅動”，繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環節。其中晶體管驅動繼電器工作，發射極接地，基極被接入高電平時飽和導通，集電極變為低電平，繼電器線圈通電，觸點吸合，當晶體管基極被輸入低電平時，晶體管截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。[2]

在電路中增加光耦隔離環節。光耦就是將發光二極管和光電三極管密封在一塊,發光二極管通電點亮以后，照到光電三極管的基極上，基極收到信號就導致集電極到發射極之間形成通路，發光二極管熄滅后，光電三極管上集電極到發射極的通路阻斷了，二極管到三極管之間沒有電器連接，所以很安全，萬一三極管端出現問題也不會炴及二極管端，這就是隔離的作用。

1.3 測力電路設計

1.3.1 測力傳感器及惠斯通電橋

本儀器用于野外測量河水中懸移質泥沙的含量，由于懸移質泥沙的特征，所以實驗對于數據的精度要求高。為了實現這一要求，首先要選用高精度的應變電橋測力傳感器（LCS-D1）。

測力傳感器的測量功能主要由上圖所示的半有源惠斯通電橋實現。其中電橋的對角兩個電阻為應變電阻，采用350Ω銅鎳合金應變片。其中，一個用于測量拉伸力，另一個測量壓縮力，由此精確測量力的應變。其余兩個為固定電阻。利用電橋激勵技術，惠斯通電橋將應變片應變產生的電阻轉換為差分電壓。VCC和GND終端加上激勵電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現與應變成正比的差分電壓。半有源惠斯通電橋電路的輸出信號滿量程負載一般為1mV/V。

1.3.2 AD轉換電路實現高精度

本文要實現實時采集稱量數據，要求測量系統精度高、體積小、便攜性好、抗干擾能力強。因此選擇使用儀用放大器連接ADS1256模數轉換器，實現輸入高精度傳感器測量值，以穩定速率輸出精度極高的測量結果，實現模擬量轉換為數字量。

2 系統軟件設計

懸移質泥沙監測儀軟件系統采用單片機進行編程。軟件設計的目的是在整體設計和硬件設計的基礎上，搭建程序結構，分配內存資源，劃分功能模塊。軟件設計包括主程序和各模塊子程序的設計，最后合成一個完整應用程序，與硬件設計相結合實現相應功能。

2.1 主程序設計

實現功能：

（1）接收遠程啟動、終止、傳輸等命令

（2）初始化單片機的寄存器、內存等

（3）啟動濕度計、水位計

（4）LCD輸出顯示

（5）數據儲存

（6）發送遠程信號，傳輸數據

2.2 濕度采集子程序

濕度采集以單片機STC89C52為控制核心，由ADC0832、電位器、電阻等組成。通過軟件設置達到具體動作實現。濕度通過單片機的I/O口把檢測到的周圍環境濕度值用LCD顯示出來。

2.3 數據存儲子程序

先向FLASH閃存芯片中寫入當前時間，然后寫入1min內濕度采集程序得出的環境參數、水位參數。當檢測到有鍵盤輸入時，按照鍵碼跳轉到查詢程序，由鍵盤輸入準確的月、日、時、分后，顯示此時刻的歷史數據。如果只鍵入月、日、時，則順序顯示該時間內的所有數據。若只鍵入月或只鍵入月、日，程序則提示條件不夠。

3 結論結果分析

通過1個月的室外懸移質泥沙自動監測儀的試運行，結果顯示此裝置可以實現野外穩定運行，數據實時監測和預警。其中裝置采用的鋰電池可以維持裝置至少1個月的工作，GPRS實現數據遠程傳輸，在終端可以獲取實時數據。

[1] 趙圣飛.基于STM32的數據采集儲存系統的設計與實現.《中北大學》.2012(05).

[2] 實現高精度壓力測量的電路設計[J].王金晨,尚偉,何印洲.伺服控制.2012(05).

Design of suspended sediment automatic monitor

Liu Yujie
（Beijing Forestry University，Beijing,100083）

Based on the single chip microcomputer STM32, a kind of suspended sediment automatic monitoring instrument is designed. Through the GPRS module, the data measured by the sensor, such as gravity sensor, can be transmitted to the remote terminal to realize the function of real-time monitoring of soil and water conservation in the field. The analog to digital conversion of the measured data is realized by the connection of ADS1256 and mcu. It has certain practical value to realize high precision measurement and real-time transmission.

suspended sediment; automatic monitoring; design