悬移质泥沙自动监测仪的设计

作者/代清，北京林业大学理学院

1.悬移质泥沙含量现状

泥沙在引水渠系中的淤积会导致引水流量不足，供水效益降低，并耗费大量清淤的人力和物力。在平原河道中累积性的泥沙淤积会抬高洪水位，降低河道宣泄洪水的能力，增加洪水的灾害和损失[1]。在水土保持和环境污染问题中，悬移质泥沙含量也有很大的影响。大量的悬移质和推移质泥沙,是美国一个最为重大的污染问题,这样不但大量的土壤流失影响到当地的生产,而且泥沙颗粒所吸附的电离物质在很长时间后还能释放在河道中,这就会破坏水生植物的生态环境[2]。林地是悬移质泥沙的主要非点源污染源之一。

2.单片机芯片选择方案与论证

由于STM32属于高性能的单片机，并且其内部具有丰富的资源，故采用STM32单片机作为本系统主控制芯片。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

3.称重模块选择方案与论证

单点称重压力传感器，实验方案采用浮力法时可选用称重压力传感器。压力传感器由铝合金制成，精度高，量程范围大0～2kg。其测量数据可以通过I/O端口传输到任意终端，如CP或单片机最小系统。

4.实验方法的选择方案与论证

浮力法测量泥沙含量。将物块浸入清水中得到此时的拉力示数，再将物块浸入不同泥沙含量的泥水中，得到一系列拉力示数，通过公式推导可以得到对应的河水泥沙含量[3]：

公式中m为物块在空气中的传感器示数，F1为清水中的示数，F2为在不同泥沙含量的泥水中的示数。公式2左侧为泥沙含量，单位g/L，d为常数，表示泥沙比重。

5.光耦继电器隔离电路

在硬件方面，单片机泥与外设连接的端口需要设计隔离电路实现抗干扰效果，未使用的单片机I/O管脚设置为输入模式并接地。其中，隔离电路采用光耦继电器电路，外设信号传入信号首先经过光耦和三极管，触发继电器开关，从而将数据传入单片机I/O口，从而实现隔离效果。如图2所示。

图2 光耦隔离电路

6.系统软件程序设计

本软件系统名称为悬移质泥沙自动监测系统，为嵌入式系统软件，可以用于STM32等单片机最小系统，具有高度的兼容性。悬移质泥沙自动检测系统主要用于野外实时监测水土情况。实现河水悬移质泥沙从采样、称量到数据传输的过程。本款软件的创新特色在于融合了小信号放大电路作为校正电路，实现了设备测量时的整体校准。融合了ADS1256数模转换模块，实现数字量到模拟量的精确转换，最终显示在液晶屏幕上呈现给用户。

设计主程序实现以下功能：系统初始化，包括初始化单片机定时器、寄存器、内存等；启动水泵、电磁阀、水位计；液晶屏初始化；数据储存与绘图；数据显示。具体流程图如图3所示。

图3 系统流程图

系统工作于循环模式，循环周期25s。主程序初始化内容主要有单片机定时器初始化、触摸液晶屏显示初始化以及液晶屏显示模式设置等。初始化结束后，进行各个参量数据采集、处理和显示。接着进行AD数据转换，输出4～20mA传输电流。最后进行数据校准和图像绘制，将最终结果显示在液晶屏上。

6.1 湿度显示子程序

湿度采集子程序以单片机STM32为控制核心，由ADC0832、电位器、电阻等组成。通过软件设置达到具体动作实现。湿度通过单片机的I/O口把检测到的周围环境湿度值用LCD液晶显示屏显示出来。

6.2 数据存储子程序

数据存储子程序的实现如下：先向FLASH闪存芯片中写入当前时间，然后写入一分钟内湿度采集程序得出的温度、湿度、水位参数。当检测到有键盘输入时，按照键码跳转到查询程序，由键盘输入准确的月、日、时、分后，显示此时刻的历史数据。

6.3 显示子程序

显示程序的流程为初始化，指针指向首地址，写入数据，清屏。初始化过程中，触摸液晶显示屏上会显示“抽水”，“停止”和“排水”三个按钮，来控制水泵的启停和电磁阀的开关。通过在显示初始化子程序中首先要进行功能设定，关闭显示指令，清屏，再开启显示指令，最终将时间、测量数据和历史数据图像显示在液晶屏上。

6.4 数据传输子程序

数据传输子程序的流程大致如下：首先发送读状态指令，使能有效，进行忙判断。接着发送数据指令，使能信号打开，最终关闭使能信号，完成一次数据传输。

7.结论分析

经过三个月的野外悬移质泥沙监测仪的试用，综合结果证明监测仪可以实现自动读取环境参数，进行环境监测、预警。通过GPRS信号进行远程传输，可在客户终端获取实时数据。

* [1]陈利华.未破坏林地悬移质泥沙产生的潜力[J].水土保持科技情报，1983,04∶30—32.

* [2]张尚权，吴卫，卢春生，郑发科.AYX2—1型调压式悬移质采样器的设计与开发[J].水文水资源,2008,08∶8—10.

* [3]张瑞瑾. 河流泥沙动力学[M] .武汉水利电力大学：中国水利水电出版社，2002：76—79.

Vishay扩充其 ENYCAP电力双层储能电容器的容值范围和外形尺寸

Vishay宣布，扩展其用于能量采集、备用电源和UPS电源的220 EDLC ENYCAP系列电力双层储能电容器。Vishay BCcomponents器件具有功率和储能版本，稳定性好，容值范围宽，有16mm x 20mm到18mm x 40mm的8种小外形尺寸。此次发布的极化储能电容器可用于工业、通信和PC市场，功率密度达4.1Wh/kg，容值从15F到60F，+65℃下的额定电压为2.7V。220 EDLC ENYCAP系列器件的内阻非常低，能够快速充电和放电。这些通孔电容器有长引线，符合RoHS。