基于STM32的分層采水控制系統設計

高金龍　李新娟　蔣慶林

摘要：本文設計了一個基于STM32單片機的自容式CTD采水控制系統。該控制系統采用蓄電池供電，通過CTD傳感器采集并存儲溫鹽深數據，實時檢測系統周圍海水壓力作為采水控制的觸發條件，實現對不同深度海水的自動取樣，具有結構簡單，工作可靠的特點。

[關鍵詞]采水STM32F103ZET6控制系統設計

海水的溫度、鹽度、深度是海洋水文調查和海洋水質監測的重要參數。海洋水質監測首先要采取相應的水質樣本，從而得到目的深度海水的各項指標，實現對海洋水資源的多層次采樣具有重大的科研價值。本文立足于高效率、高精度的樣本采集需求，設計了一種多深度CTD采水控制系統，采用自動控制技術，可以實現溫鹽深數據采集存儲、自動采水等功能。

1控制系統整體結構

如圖1所示，CTD采水測控系統的組成如圖1所示。其中單片機位于控制艙內，根據CTD傳感器采集的數據判斷系統周圍海水壓力值，實時計算得到深度值，在設置好的的深度下發送采水信號給釋放機構，觸發相應的采水器采集水樣。

自主式CTD采水器控制系統單片機主控模塊位于特殊制造的密封艙內。由于密封艙需要承受外界海水壓力，因此單片機主控模塊的尺寸應盡量小，外形應盡量細長，否則密封艙的尺寸、壁厚和重量都會加大。整個控制系統采用蓄電池供電，因此應采用低功耗設計，同時，為保證系統正常工作，要求控制系統抗干擾性強、穩定性好。

因此，要求設計的取樣控制系統必須具有以下功能：系統的工作參數可調、實時監測周圍海水溫鹽深參數、電源管理、異常處理等，能夠實現自主式采水控制。

2控制系統硬件設計

本文設計的控制系統硬件主要包括：單片機主控模塊、電源模塊、CTD傳感器、EEPROM存儲模塊、SD卡存儲模塊、固態繼電器組等，如圖2所示。

單片機主控模塊采用STM32F103ZET6作為系統核心控制芯片，內置32位Corex-M3內核，最高工作頻率為72MHZ，支持ADC、USART、SDIO等模塊，具有超低功耗、高可靠性等優點，適用于電力電子系統、電機驅動、應用控制等領域。

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

由于STM32F103ZET6內部集成了12位A/D轉換模塊，可用于監測蓄電池電壓，通過電平轉換之后輸入給單片機。

單片機的I/O模塊輸出信號控制繼電器組，通過電磁釋放機構打開采樣瓶，實現整個取樣過程的自動控制。

EEPROM存儲模塊采用FM24CL16，用于工作參數的存儲，系統中采用兩個并行I/O口進行軟件模擬產生I2C總線時序信號，實現數據的讀寫。SD卡存儲模塊通過單片機自帶的標準SD卡接口，用于存儲工作過程中的采集數據、狀態信息等。

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

3控制系統軟件設計

采水器控制系統軟件程序采用C語言進行設計，采用KeilMDK開發環境，主要完成命令的收發、參數存儲、工作狀態監測以及采水控制等功能。軟件采用模塊化設計，主要包括以下幾個功能模塊：系統初始化模塊、串口通信模塊、EEPROM存儲模塊、A/D定時中斷數據處理模塊以及固態繼電器控制模塊、SD卡存儲模塊等。

控制系統軟件的主要工作流程如圖3所示。控制程序在系統上電后先進行系統初始化工作，然后讀取存儲在EEPROM中的數據，包括預先設置的采水深度、系統采水狀態等。控制系統采用中斷的方式實現蓄電池電壓檢測、溫鹽深數據獲取、SD卡存儲等操作。當根據CTD傳感器采集數據計算得到的系統所在深度與預設深度相近時，單片機給出對應深度的采水觸發信號，截取當前深度水樣到相應的采水瓶中。當采水狀態發生變化后，實時更新工作狀態并寫入到EEPROM中存儲。

4結語

本文介紹了基于STM32的CTD分層采水控制系統，并給出了控制系統的硬件結構和軟件功能模塊，能夠獲取并存儲海水垂直剖面的溫鹽深等參數數據，同時自動采集6種深度的海水樣本，具有集成度高、體積小、功耗低等特點，可用于海洋科學研究和海洋調查領域。

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