基于單片機(jī)的海洋溫深探測器設(shè)計(jì)開發(fā)

江希

摘 要：海洋占據(jù)了地球表面約7成以上的面積，加之海洋物種豐富使得海洋被稱之為“生命的搖籃”，做好對于海洋資源的開發(fā)利用是我國現(xiàn)今乃至今后一段時(shí)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。海洋溫深測量裝置是一種利用單片機(jī)為主控核心，通過溫度傳感器和壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)對于海洋溫深信息的探測，并將傳感器所探測到的數(shù)據(jù)存儲于SD卡中，待海洋溫深探測器回收后即可對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。本文在分析海洋溫深探測器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對海洋溫深探測器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：海洋溫深探測器；單片機(jī)；傳感器；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

海洋是“生命的搖籃”，做好對于海洋的探索、研究是我國一直以來極為重要的研究課題。做好海洋資源的勘測、開發(fā)都與海洋環(huán)境有著密切的聯(lián)系。因此，做好對于海洋環(huán)境的感知對于將我國從海洋大國建設(shè)成為海洋強(qiáng)國有著極為重要的意義。相較于國外我國在海洋環(huán)境測量方面起步較晚，由于測量數(shù)據(jù)的欠缺使得我國無法通過大規(guī)模體系化的方式完成對于海洋環(huán)境的測量分析。近些年來我國加大了對于海洋勘察的資金投入，為做好對于海洋環(huán)境的測量需要建立起大規(guī)模的海洋信息數(shù)據(jù)的獲取渠道。海洋溫深探測器是一種能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境產(chǎn)生進(jìn)行測量并通過實(shí)時(shí)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的方式完成對于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的勘測。

1.海洋溫深探測器的硬件組成

在海洋溫深探測器的硬件組成中主要有溫度傳感器、壓力傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘芯片、I/O結(jié)構(gòu)、供電電源、通信模塊以及時(shí)序控制和供電管理模塊等組成。在各硬件中，溫度傳感器使用的是以NTC（熱敏電阻）為核心的溫度測量形式，其主要利用的是熱敏電阻的阻值會隨著溫度變化這一特性。溫度傳感器、分壓電阻等組成了海洋溫深探測器中的溫度測量單元。壓力測量模塊主要是由壓力變送器和分壓電阻所組成，壓力測量模塊將所測得的壓力信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要由兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片所組成，通過對溫度和壓力傳感器所測得的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為DB11-DB0的輸出。海洋溫深探測器中的時(shí)鐘主要有DS1302時(shí)鐘芯片、晶振以及電容、電池等組成，在海洋溫深探測器的時(shí)鐘模塊中內(nèi)置晶振和電源能夠確保海洋溫深探測器在斷電的情況下獲取相關(guān)的時(shí)間信息。海洋溫深探測器中的數(shù)據(jù)存儲模塊主要用以實(shí)現(xiàn)對于所測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲，在存儲所選用的SD卡具有SD和SPI兩種主要的工作模式，其中SPI具有良好的硬件接口兼容性，本文所使用的ATmegal128L型單片機(jī)自身具有SPI的硬件接口，因此，從海洋溫深探測器設(shè)計(jì)方便性考慮在海洋溫深探測器SD卡存儲模式的選擇中選用的是SPI的接口模式。在海洋溫深探測器中的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要實(shí)現(xiàn)對海洋溫深探測器中的溫度和壓力傳感器所測得相關(guān)海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、存儲。時(shí)序控制模塊主要通過生成時(shí)序信號和控制信號以確保海洋溫深探測器中的溫度和壓力采集系統(tǒng)能夠按照相關(guān)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)。RS232通信接口用以實(shí)現(xiàn)于外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。在海洋溫深探測器所采用的電源供應(yīng)上采用的是24V的供電電壓。海洋溫深探測器的硬件組成如圖1所示。

2.海洋溫深探測器中的程序設(shè)計(jì)

完成了對于海洋溫深探測器的硬件組裝后為了使得海洋溫深探測器能夠自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)收集和存儲作業(yè)，需要在海洋溫深探測器中編制軟件程序。海洋溫深探測器中主要使用單片機(jī)作為整個(gè)探測器的主控系統(tǒng)，為確保單片機(jī)和其他硬件模糊能夠協(xié)調(diào)工作，需要編制合理的工作程序。在海洋溫深探測器硬件中的單片機(jī)程序的編制中需要對單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘模塊以及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等進(jìn)行相關(guān)程序的編制，通過編制的時(shí)鐘模塊驅(qū)動(dòng)程序來完成單片機(jī)與時(shí)鐘模塊之間的數(shù)據(jù)通信，所編制的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序在接收外部指令的同時(shí)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，單片機(jī)在與時(shí)鐘模塊發(fā)送控制指令的同時(shí)接收時(shí)鐘模塊所返回的時(shí)間信息。在單片機(jī)中通過3個(gè)引腳來完成對于時(shí)鐘模塊的驅(qū)動(dòng)和控制，這單片機(jī)中的3個(gè)引腳分別實(shí)現(xiàn)使能時(shí)鐘模塊、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘模塊的驅(qū)動(dòng)信號和通信。在單片機(jī)與時(shí)鐘模塊進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先使用時(shí)鐘模塊，而后通過使用單字節(jié)發(fā)送模式向時(shí)鐘模塊發(fā)送若干字節(jié)，完成后停止時(shí)鐘模塊輸入輸出引腳。海洋溫深探測器單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊的程序主要用于完成對于A/D轉(zhuǎn)換模塊的開啟并進(jìn)行模擬信號的轉(zhuǎn)換，并判斷模擬信號轉(zhuǎn)換是否完成，在模擬信號轉(zhuǎn)換完成后對轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號進(jìn)行接收處理。在海洋溫深探測器的工作過程中由于溫度和壓力傳感器時(shí)刻都在對海洋信息進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)測定，因此，A/D轉(zhuǎn)換模塊總是處于工作模式，在海洋溫深探測器中的單片機(jī)中通過使用3個(gè)引腳來完成對于A/D轉(zhuǎn)換模塊的啟停和模數(shù)轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。在A/D轉(zhuǎn)換芯片工作時(shí)在接收到轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志后通過對轉(zhuǎn)換模塊芯片中的各個(gè)引腳所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行接收，首先將高4位的數(shù)據(jù)保存至date數(shù)組，然后在將低8位數(shù)據(jù)保存至date數(shù)組。海洋溫深探測器中的數(shù)據(jù)存儲模塊通過編制SPI接口的程序用以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存取模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，在數(shù)據(jù)存儲時(shí)，單片機(jī)首先通過將指令和數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲模塊用以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存取模塊首先進(jìn)行初始化，而后使得存儲模塊繼續(xù)進(jìn)行存、讀數(shù)據(jù)的操作，此外，單片機(jī)在發(fā)送控制數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù)存儲模塊所反饋的信息。數(shù)據(jù)緩存模塊主要用以對溫度傳感器和壓力傳感器所測定的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并按照一定的規(guī)則對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，從而形成固定格式的數(shù)組，這些數(shù)據(jù)按照一定的格式（日期、時(shí)間、溫度、深度）進(jìn)行存儲，對于存儲的數(shù)據(jù)在緩存區(qū)存滿后將把這些數(shù)據(jù)存儲如SD卡中的相應(yīng)的存儲區(qū)域中。海洋溫深探測器中的FS232接口用于實(shí)現(xiàn)海洋溫深探測器與其他外接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。在海洋溫深探測器的數(shù)據(jù)獲取上除了可以通過對海洋溫深探測器中的SD卡進(jìn)行讀取外，還可以通過使用RS-232接口實(shí)現(xiàn)與其他測量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

在海洋溫深探測器完成后對其進(jìn)行了相關(guān)的測試，通過對海洋溫深探測器測量溫度和溫度計(jì)測量溫度進(jìn)行對比之后發(fā)現(xiàn)兩者之間的誤差在1%的區(qū)間范圍內(nèi)，滿足海洋溫深探測器的測量要求。此外對于海洋溫深探測器壓力測量模塊分別在0～5m的區(qū)間范圍內(nèi)按照1m間隔的方式對水壓進(jìn)行測定后換算成深度后發(fā)現(xiàn)與實(shí)際深度存在0.1m的誤差，滿足使用要求。

結(jié)語

海洋溫深探測器在海洋環(huán)境測量中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文對基于單片機(jī)的海洋溫深探測器開發(fā)流程及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析介紹。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇里陽，楊日杰，姜超，等.基于單片機(jī)的海洋溫深測量裝置設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2015（8）：90-93.

[2]陸橋. SWX-A型拋棄式溫深計(jì)設(shè)計(jì)定型[J].海洋通報(bào)，1984（4）：109.

[3]岑世奎，于厚隆. JZL1—2型溫深檢定設(shè)備[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，1984（2）：79-86.