基于单片机的海洋温深探测器设计开发

江希

摘 要：海洋占据了地球表面约7成以上的面积，加之海洋物种丰富使得海洋被称之为“生命的摇篮”，做好对于海洋资源的开发利用是我国现今乃至今后一段时间经济发展的重要方向。海洋温深测量装置是一种利用单片机为主控核心，通过温度传感器和压力传感器来实现对于海洋温深信息的探测，并将传感器所探测到的数据存储于SD卡中，待海洋温深探测器回收后即可对相关的数据进行提取和分析。本文在分析海洋温深探测器特点的基础上对海洋温深探测器的设计要点进行了分析阐述。

关键词：海洋温深探测器；单片机；传感器；设计

中图分类号：TN02 文献标识码：A

海洋是“生命的摇篮”，做好对于海洋的探索、研究是我国一直以来极为重要的研究课题。做好海洋资源的勘测、开发都与海洋环境有着密切的联系。因此，做好对于海洋环境的感知对于将我国从海洋大国建设成为海洋强国有着极为重要的意义。相较于国外我国在海洋环境测量方面起步较晚，由于测量数据的欠缺使得我国无法通过大规模体系化的方式完成对于海洋环境的测量分析。近些年来我国加大了对于海洋勘察的资金投入，为做好对于海洋环境的测量需要建立起大规模的海洋信息数据的获取渠道。海洋温深探测器是一种能够对海洋环境产生进行测量并通过实时传输和数据存储的方式完成对于海洋环境数据的勘测。

1.海洋温深探测器的硬件组成

在海洋温深探测器的硬件组成中主要有温度传感器、压力传感器以及A/D转换、时钟芯片、I/O结构、供电电源、通信模块以及时序控制和供电管理模块等组成。在各硬件中，温度传感器使用的是以NTC（热敏电阻）为核心的温度测量形式，其主要利用的是热敏电阻的阻值会随着温度变化这一特性。温度传感器、分压电阻等组成了海洋温深探测器中的温度测量单元。压力测量模块主要是由压力变送器和分压电阻所组成，压力测量模块将所测得的压力信息转变为模拟电信号通过A/D转换为数字信号。A/D转换模块主要由两个数模转换芯片所组成，通过对温度和压力传感器所测得的模拟量进行A/D转换将其转换为DB11-DB0的输出。海洋温深探测器中的时钟主要有DS1302时钟芯片、晶振以及电容、电池等组成，在海洋温深探测器的时钟模块中内置晶振和电源能够确保海洋温深探测器在断电的情况下获取相关的时间信息。海洋温深探测器中的数据存储模块主要用以实现对于所测量数据的数据存储，在存储所选用的SD卡具有SD和SPI两种主要的工作模式，其中SPI具有良好的硬件接口兼容性，本文所使用的ATmegal128L型单片机自身具有SPI的硬件接口，因此，从海洋温深探测器设计方便性考虑在海洋温深探测器SD卡存储模式的选择中选用的是SPI的接口模式。在海洋温深探测器中的数据收发模块主要实现对海洋温深探测器中的温度和压力传感器所测得相关海洋数据进行缓存、存储。时序控制模块主要通过生成时序信号和控制信号以确保海洋温深探测器中的温度和压力采集系统能够按照相关程序进行数据采集作业。RS232通信接口用以实现于外部设备之间的数据通信。在海洋温深探测器所采用的电源供应上采用的是24V的供电电压。海洋温深探测器的硬件组成如图1所示。

2.海洋温深探测器中的程序设计

完成了对于海洋温深探测器的硬件组装后为了使得海洋温深探测器能够自动进行相关的数据收集和存储作业，需要在海洋温深探测器中编制软件程序。海洋温深探测器中主要使用单片机作为整个探测器的主控系统，为确保单片机和其他硬件模糊能够协调工作，需要编制合理的工作程序。在海洋温深探测器硬件中的单片机程序的编制中需要对单片机中的A/D转换模块、时钟模块以及数据收发模块等进行相关程序的编制，通过编制的时钟模块驱动程序来完成单片机与时钟模块之间的数据通信，所编制的时钟驱动程序在接收外部指令的同时与外界进行数据交换。此外，单片机在与时钟模块发送控制指令的同时接收时钟模块所返回的时间信息。在单片机中通过3个引脚来完成对于时钟模块的驱动和控制，这单片机中的3个引脚分别实现使能时钟模块、产生驱动时钟模块的驱动信号和通信。在单片机与时钟模块进行通信和数据交换时，首先使用时钟模块，而后通过使用单字节发送模式向时钟模块发送若干字节，完成后停止时钟模块输入输出引脚。海洋温深探测器单片机中的A/D转换模块的程序主要用于完成对于A/D转换模块的开启并进行模拟信号的转换，并判断模拟信号转换是否完成，在模拟信号转换完成后对转换完的数字信号进行接收处理。在海洋温深探测器的工作过程中由于温度和压力传感器时刻都在對海洋信息进行相关的数据测定，因此，A/D转换模块总是处于工作模式，在海洋温深探测器中的单片机中通过使用3个引脚来完成对于A/D转换模块的启停和模数转换的进程。在A/D转换芯片工作时在接收到转换结束的标志后通过对转换模块芯片中的各个引脚所传输的数据进行接收，首先将高4位的数据保存至date数组，然后在将低8位数据保存至date数组。海洋温深探测器中的数据存储模块通过编制SPI接口的程序用以驱动数据存取模块和单片机之间的数据通信，在数据存储时，单片机首先通过将指令和数据发送至存储模块用以驱动数据存取模块首先进行初始化，而后使得存储模块继续进行存、读数据的操作，此外，单片机在发送控制数据的同时接收数据存储模块所反馈的信息。数据缓存模块主要用以对温度传感器和压力传感器所测定的相关数据进行存储，并按照一定的规则对相关数据进行排列，从而形成固定格式的数组，这些数据按照一定的格式（日期、时间、温度、深度）进行存储，对于存储的数据在缓存区存满后将把这些数据存储如SD卡中的相应的存储区域中。海洋温深探测器中的FS232接口用于实现海洋温深探测器与其他外接设备之间的数据通信。在海洋温深探测器的数据获取上除了可以通过对海洋温深探测器中的SD卡进行读取外，还可以通过使用RS-232接口实现与其他测量设备之间的数据通信，以实现测量数据的实时传输。

在海洋温深探测器完成后对其进行了相关的测试，通过对海洋温深探测器测量温度和温度计测量温度进行对比之后发现两者之间的误差在1%的区间范围内，满足海洋温深探测器的测量要求。此外对于海洋温深探测器压力测量模块分别在0～5m的区间范围内按照1m间隔的方式对水压进行测定后换算成深度后发现与实际深度存在0.1m的误差，满足使用要求。

结语

海洋温深探测器在海洋环境测量中有着广泛的应用前景。本文对基于单片机的海洋温深探测器开发流程及设计要点进行了分析介绍。

参考文献

[1]苏里阳，杨日杰，姜超，等.基于单片机的海洋温深测量装置设计[J].国外电子测量技术，2015（8）：90-93.

[2]陆桥. SWX-A型抛弃式温深计设计定型[J].海洋通报，1984（4）：109.

[3]岑世奎，于厚隆. JZL1—2型温深检定设备[J].海洋技术学报，1984（2）：79-86.