懸移質泥沙自動監測儀的設計

作者/代清，北京林業大學理學院

1.懸移質泥沙含量現狀

泥沙在引水渠系中的淤積會導致引水流量不足，供水效益降低，并耗費大量清淤的人力和物力。在平原河道中累積性的泥沙淤積會抬高洪水位，降低河道宣泄洪水的能力，增加洪水的災害和損失[1]。在水土保持和環境污染問題中，懸移質泥沙含量也有很大的影響。大量的懸移質和推移質泥沙,是美國一個最為重大的污染問題,這樣不但大量的土壤流失影響到當地的生產,而且泥沙顆粒所吸附的電離物質在很長時間后還能釋放在河道中,這就會破壞水生植物的生態環境[2]。林地是懸移質泥沙的主要非點源污染源之一。

2.單片機芯片選擇方案與論證

由于STM32屬于高性能的單片機，并且其內部具有豐富的資源，故采用STM32單片機作為本系統主控制芯片。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

3.稱重模塊選擇方案與論證

單點稱重壓力傳感器，實驗方案采用浮力法時可選用稱重壓力傳感器。壓力傳感器由鋁合金制成，精度高，量程范圍大0～2kg。其測量數據可以通過I/O端口傳輸到任意終端，如CP或單片機最小系統。

4.實驗方法的選擇方案與論證

浮力法測量泥沙含量。將物塊浸入清水中得到此時的拉力示數，再將物塊浸入不同泥沙含量的泥水中，得到一系列拉力示數，通過公式推導可以得到對應的河水泥沙含量[3]：

公式中m為物塊在空氣中的傳感器示數，F1為清水中的示數，F2為在不同泥沙含量的泥水中的示數。公式2左側為泥沙含量，單位g/L，d為常數，表示泥沙比重。

5.光耦繼電器隔離電路

在硬件方面，單片機泥與外設連接的端口需要設計隔離電路實現抗干擾效果，未使用的單片機I/O管腳設置為輸入模式并接地。其中，隔離電路采用光耦繼電器電路，外設信號傳入信號首先經過光耦和三極管，觸發繼電器開關，從而將數據傳入單片機I/O口，從而實現隔離效果。如圖2所示。

圖2 光耦隔離電路

6.系統軟件程序設計

本軟件系統名稱為懸移質泥沙自動監測系統，為嵌入式系統軟件，可以用于STM32等單片機最小系統，具有高度的兼容性。懸移質泥沙自動檢測系統主要用于野外實時監測水土情況。實現河水懸移質泥沙從采樣、稱量到數據傳輸的過程。本款軟件的創新特色在于融合了小信號放大電路作為校正電路，實現了設備測量時的整體校準。融合了ADS1256數模轉換模塊，實現數字量到模擬量的精確轉換，最終顯示在液晶屏幕上呈現給用戶。

設計主程序實現以下功能：系統初始化，包括初始化單片機定時器、寄存器、內存等；啟動水泵、電磁閥、水位計；液晶屏初始化；數據儲存與繪圖；數據顯示。具體流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

系統工作于循環模式，循環周期25s。主程序初始化內容主要有單片機定時器初始化、觸摸液晶屏顯示初始化以及液晶屏顯示模式設置等。初始化結束后，進行各個參量數據采集、處理和顯示。接著進行AD數據轉換，輸出4～20mA傳輸電流。最后進行數據校準和圖像繪制，將最終結果顯示在液晶屏上。

6.1 濕度顯示子程序

濕度采集子程序以單片機STM32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液晶顯示屏顯示出來。

6.2 數據存儲子程序

數據存儲子程序的實現如下：先向FLASH閃存芯片中寫入當前時間，然后寫入一分鐘內濕度采集程序得出的溫度、濕度、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。

6.3 顯示子程序

顯示程序的流程為初始化，指針指向首地址，寫入數據，清屏。初始化過程中，觸摸液晶顯示屏上會顯示“抽水”，“停止”和“排水”三個按鈕，來控制水泵的啟停和電磁閥的開關。通過在顯示初始化子程序中首先要進行功能設定，關閉顯示指令，清屏，再開啟顯示指令，最終將時間、測量數據和歷史數據圖像顯示在液晶屏上。

6.4 數據傳輸子程序

數據傳輸子程序的流程大致如下：首先發送讀狀態指令，使能有效，進行忙判斷。接著發送數據指令，使能信號打開，最終關閉使能信號，完成一次數據傳輸。

7.結論分析

經過三個月的野外懸移質泥沙監測儀的試用，綜合結果證明監測儀可以實現自動讀取環境參數，進行環境監測、預警。通過GPRS信號進行遠程傳輸，可在客戶終端獲取實時數據。

* [1]陳利華.未破壞林地懸移質泥沙產生的潛力[J].水土保持科技情報，1983,04∶30—32.

* [2]張尚權，吳衛，盧春生，鄭發科.AYX2—1型調壓式懸移質采樣器的設計與開發[J].水文水資源,2008,08∶8—10.

* [3]張瑞瑾. 河流泥沙動力學[M] .武漢水利電力大學：中國水利水電出版社，2002：76—79.

Vishay擴充其 ENYCAP電力雙層儲能電容器的容值范圍和外形尺寸

Vishay宣布，擴展其用于能量采集、備用電源和UPS電源的220 EDLC ENYCAP系列電力雙層儲能電容器。Vishay BCcomponents器件具有功率和儲能版本，穩定性好，容值范圍寬，有16mm x 20mm到18mm x 40mm的8種小外形尺寸。此次發布的極化儲能電容器可用于工業、通信和PC市場，功率密度達4.1Wh/kg，容值從15F到60F，+65℃下的額定電壓為2.7V。220 EDLC ENYCAP系列器件的內阻非常低，能夠快速充電和放電。這些通孔電容器有長引線，符合RoHS。