水下密封艙漏水檢測系統設計與實現

王志光 劉純虎 潘昊東

摘要：為了檢測水下密封艙漏水狀況，設計了一種水下密封艙漏水檢測系統。此系統通過漏水檢測傳感器對水下密封艙的漏水信號進行采集，采集到的信號經調理電路處理后送入STM32F103單片機的A/D 轉換端口，由單片機進行處理，并實時得出水下密封艙的漏水狀態信息。然后將該漏水狀態信息通過RS485串口上傳到上位機進行顯示。經過大量測試，該系統性能穩定，檢測結果準確、可靠，具有良好的實用價值。

關鍵詞：水下密封艙；漏水檢測；STM32F103單片機；上位機

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0272-02

Abstract： In order to detect the leakage of underwater sealed cabin， a water leakage detection system for underwater sealed cabin was designed. This system collects the leakage signal of the underwater sealed cabin by the leak detection sensor. The collected signal is processed by the conditioning circuit and sent to the A/D conversion port of STM32F103 single-chip computer. It is processed by the single-chip computer， and the leak status information of the underwater sealed cabin is obtained in real time. Then， the leakage status information is uploaded to the host computer through RS485 serial port for display. After a lot of tests， the system has stable performance， accurate and reliable test results， and has good practical value.

Key words： underwater sealed cabin； leakage detection； STM32F103 single chip computer； upper computer

1 引言

水下機器人在海洋探查及資源開發利用、海洋觀測、海洋旅游、水下打撈、水下考古和漁業等方面有著廣泛的應用[1-2]。水下密封艙作為水下機器人的重要組成部分，它通常作為水下機器人的控制艙，因此對水下密封艙漏水狀況進行實時檢測，對保障水下機器人的安全就顯得十分重要。

目前國內外學者就水下機器人的漏水檢測系統、船舶艙室漏水報警系統和新型漏水檢測儀等方面進行了初步研究[3-5]。本文設計并實現了水下密封艙的漏水檢測系統，該系統結構簡單、性能穩定、易于安裝，檢測結果準確、可靠，適用于水下密封艙內部的各部位漏水檢測，具有較大實用價值。

2 系統總體結構

水下密封艙漏水檢測系統的總體結構框圖如圖1所示。系統主要由漏水檢測傳感器、信號調理電路、STM32F103單片機和PC上位機軟件四部分組成。漏水檢測傳感器將檢測到的信號，送入信號調理電路，信號調理電路將漏水傳感器送入的信號調理成相應的電壓信號，然后再送入STM32F103單片機的A/D轉換端口，由單片機進行處理，并實時得出水下密封艙的漏水狀態信息。最后將該漏水狀態信息通過RS485串口上傳到PC上位機軟件進行顯示。

3 系統硬件設計

3.1 信號調理電路

如圖2所示為水下密封艙漏水檢測系統的信號調理電路。本系統采用的漏水檢測傳感器為電極式水浸傳感器，電極式水浸傳感器具有結構簡單、易于安裝、價格低廉等優點。使用時令電極式水浸傳感器固定在水下密封艙內部（通常為底部），并將其兩端分別接入信號調理電路。當漏水檢測傳感器電極浸水時阻值發生改變，經信號調理電路調理輸出1.6伏左右的高電壓，而當漏水檢測傳感器電極未浸水時，信號調理則輸出0伏左右的低電壓。最后將信號調理電路輸出的電壓信號接到單片機A/D轉換端口，由單片機進行采集與處理。

3.2 系統硬件實物圖

水下密封艙漏水檢測系統使用以Cortex-M3為內核的STM32F103作為電路的主控芯片[6]。其主頻72Mz，自帶64KB RAM存儲器，2個12位A/D轉換器，同時支持UART、I2C、SPI等多種外設接口，可以滿足水下密封艙漏水檢測系統功能設計的需求。如圖3所示為水下密封艙漏水檢測系統硬件實物圖。

水下密封艙漏水檢測系統與PC上位機采用RS485串口進行通信，RS485串口的通訊距離大，抗干擾能力強，并且還具有組網功能[7]。使用RS485串口可以滿足水下密封艙漏水檢測系統的測試需求，此外還有較強的可擴展能力。

4 系統軟件設計

4.1 單片機軟件設計

水下密封艙漏水檢測系統STM32F103單片機中的程序流程，如圖4所示。

水下密封艙漏水檢測系統STM32F103單片機中的程序流程大體可分為以下四個階段：

1）首先將STM32F103單片機進行初始化。

2）單片機進行A/D 采集，將接收到的電壓信號量轉換成數字量。

3）對上述數字量信息進行分析處理，取10次數字量進行平均，將所得10次數字量的平均值與對應水下密封艙漏水電壓閾值進行比較。其超過對應水下密封艙漏水電壓閾值則判斷水下密封艙漏水，否則判斷水下密封艙未漏水。

4）通過RS485串口，將處理后的水下密封艙漏水狀態信息上傳到PC上位機進行顯示。

4.2上位機軟件設計

水下密封艙漏水檢測系統的上位機軟件基于Visual C++2010 開發，使用Visual C++2010可以高效地進行Windows 應用程序開發，其具有強大的界面設計功能[8]。如圖5所示為水下密封艙漏水檢測系統上位機軟件的界面。上位機軟件采用MSComm控件來高效地實現其串行通信功能。

水下密封艙漏水檢測系統的STM32F103單片機通過串口不斷將檢測到的水下密封艙漏水狀態信息傳送給上位機軟件，當檢測到水下密封艙漏水時，漏水狀態指示燈變暗；當未檢測到水下密封艙漏水時漏水狀態指示燈變亮。使用漏水狀態指示燈可以更為形象直觀的反應水下密封艙漏水狀態，方便用戶使用。

5 結論

本文提出的水下密封艙漏水檢測系統經過大量測試，其性能穩定，檢測結果準確、可靠。其不僅可以應用于常見水下機器人（AUV、ROV和水下滑翔機等）的密封艙漏水檢測，還可應用于波浪浮標及其他水下設備密封艙的漏水檢測，具有理想的應用前景。

參考文獻：

[1] 連璉，馬廈飛，陶軍.“海馬”號4500米級ROV系統研發歷程[J]. 船舶與海洋工程， 2015（1）：9-12.

[2] 王松，王田苗，梁建宏，等.機器魚輔助水下考古實驗研究[J].機器人， 2005，27（2）.

[3] 徐國華，童劍，段國強，等.水下機器人漏水檢測系統研究[C]//船舶與海洋工程學術研討會.2004.

[4] 宋海燕，陳繼濤，秦富貞.基于單片機的船舶艙室漏水報警系統設計[J].山東工業技術， 2017（22）：30.

[5] 王雷，章藝.新型漏水檢測儀的研制[J].電子質量，2001，19（11）：22-23.

[6] Joseph Yiu，姚文詳，宋巖. ARM Cortex-M3權威指南[M].北京航空航天大學出版社， 2009.

[7] 劉純虎.深海作業型ROV分布式協調及容錯控制策略研究[D].上海交通大學，2016.

[8] 唐原廣，王志光.船舶運動姿態測量系統設計與實現[J].艦船科學技術，2017，39（13）：108-111.

【通聯編輯：梁書】