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基于单片机控制的孔隙水自动采样器

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  0 引 言

  深海处于一个动态的变化过程,深海孔隙水所含的成分也会随着时间的变化而发生改变,同时在深海环境下,无论采用人工控制还是远程控制都将耗资巨大。所以对于深海孔隙水的采集,机械无人操作系统是最实用的。但是纯机械设计无法实现孔隙水的自动、分时采集。笔者所提出的深海孔隙水采样器通过在机械采样机构中加入步进电机和单片机控制系统来实现分时自动的机械采样。在本采样器中,步进电机用来带动机械结构开启采样瓶,单片机控制系统用来控制步进电机的动作时间间隔以及步进电机每次转动的角度[1-3]。通过步进电机、单片机控制系统、机械结构三者的有机组合而实现深海孔隙水采样的自动操作。

  本研究探讨这一自动采样器的原理与设计。

  1 结构和工作原理

  此系统的工作要求为:①采样器能够在深海采集不同深度海底沉积层中的孔隙水;②采样器能够采集不同时刻相同深度海底沉积层中的孔隙水;③采样瓶采满后能够保持孔隙水,最终回收到陆地实验室。

  1.1 系统整体结构框图

  本系统整体结构如图1所示,主要由3部分组成:

  (1)采样器整体框架:此采样器的整体框架由上圆盘和五角托板组成,用于将采样器放置在海底以及固定采样瓶。

  (2)孔隙水自动采集机构:此自动采集机构由步进电机、链轮、链条、采样瓶组成。采样瓶共分5组,成五角形放置,每组有13个,步进电机动作带动链条,每次开启每组中1个采样瓶,采样瓶采满后,由于瓶体中存在单向阀而可以自动保持孔隙水。

  (3)孔隙水自动采集机构控制系统:此控制系统的核心为TI公司的MSP430单片机,该单片机具有低功耗、稳定性高的特点,很适合需采用电池供电深海控制的要求。单片机控制器用来控制步进电机的转动角度和动作时间间隔。

  1.2 工作原理

  取样前:通过PC机向单片机发送控制指令,设定步进电机的动作开始时间、控制脉冲数(对应于步进电机的转动角度)以及动作时间间隔。此时采样瓶全部处于关闭状态,步进电机由于没有控制脉冲而不能转动,整个装置呈自锁状态。

  取样过程:将采样器下放到深海海底,当设定时间到达以后,单片机即向步进电机发送控制脉冲[4],步进电机动作,带动与采样瓶相连的链条,链条上的拨盘打开采样瓶,开始采集孔隙水。当单片机发送完设定的脉冲数后,单片机即进入休眠状态,步进电机停止动作,等待下一次设定时间的到来。采样瓶采集满孔隙水后,利用采样瓶自带的单向阀进行孔隙水的保持,最后回收到陆地实验室。

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