悬移质泥沙自动监测仪设计

刘玉洁

（北京林业大学，北京，100083）

悬移质泥沙自动监测仪设计

刘玉洁

（北京林业大学，北京，100083）

以单片机STM32为核心设计一款适用于野外的悬移质泥沙自动监测仪。通过GPRS模块将重力传感器等测量模块测得的数据传送至远程终端，实现实时监测野外水土保持情况的功能。通过ADS1256与单片机连接实现所测数据的模数转换。实现高精度测量，实时传输，具有一定的实用价值。

悬移质泥沙；自动监测；设计

0 引言

悬移质泥沙的测量对研究环境污染物质迁移、土壤侵蚀溯源分析等诸多方面至关重要，目前悬移质泥沙的测量处于人工或机械阶段，且汛期时，测量难度加大。本文设计具有自动测量悬移质泥沙含量、流量及液位，GPRS数据远程传送，太阳能供电，任意设定固定采集周期的悬移质泥沙自动监测仪（称重式）。

1 系统硬件设计

1.1 监测仪的硬件结构

悬移质泥沙自动监测仪用于野外监测泥沙含量和各项环境参数，其核心CPU是STM32芯片，时钟频率为32MHz，独立完成从采集样品，称量获得数据，存储，远程传输和显示的功能。其中泥沙含量的实时数据由模拟采集电路通过高精度的测力传感器LCS-D1采集。显示模块为TFTLCD液晶显示屏。存储模块为SD卡的片上存储方式，通过SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。[1]数据存储和记录的规律为每分钟记录一次泥沙含量，占用1个字节，每分钟显示一遍时间：年/月/日,占用4个字节。

1.2 开关驱动电路设计

开关驱动电路采用光耦隔离继电器驱动电路。单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在毫安(mA)级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如本文中所涉及的控制水泵、电磁阀、电机，显然是不行的。所以就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”，继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。其中晶体管驱动继电器工作，发射极接地，基极被接入高电平时饱和导通，集电极变为低电平，继电器线圈通电，触点吸合，当晶体管基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点断开。[2]

在电路中增加光耦隔离环节。光耦就是将发光二极管和光电三极管密封在一块,发光二极管通电点亮以后，照到光电三极管的基极上，基极收到信号就导致集电极到发射极之间形成通路，发光二极管熄灭后，光电三极管上集电极到发射极的通路阻断了，二极管到三极管之间没有电器连接，所以很安全，万一三极管端出现问题也不会炴及二极管端，这就是隔离的作用。

1.3 测力电路设计

1.3.1 测力传感器及惠斯通电桥

本仪器用于野外测量河水中悬移质泥沙的含量，由于悬移质泥沙的特征，所以实验对于数据的精度要求高。为了实现这一要求，首先要选用高精度的应变电桥测力传感器（LCS-D1）。

测力传感器的测量功能主要由上图所示的半有源惠斯通电桥实现。其中电桥的对角两个电阻为应变电阻，采用350Ω铜镍合金应变片。其中，一个用于测量拉伸力，另一个测量压缩力，由此精确测量力的应变。其余两个为固定电阻。利用电桥激励技术，惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压。VCC和GND终端加上激励电压后，+VOUT和-VOUT终端上出现与应变成正比的差分电压。半有源惠斯通电桥电路的输出信号满量程负载一般为1mV/V。

1.3.2 AD转换电路实现高精度

本文要实现实时采集称量数据，要求测量系统精度高、体积小、便携性好、抗干扰能力强。因此选择使用仪用放大器连接ADS1256模数转换器，实现输入高精度传感器测量值，以稳定速率输出精度极高的测量结果，实现模拟量转换为数字量。

2 系统软件设计

悬移质泥沙监测仪软件系统采用单片机进行编程。软件设计的目的是在整体设计和硬件设计的基础上，搭建程序结构，分配内存资源，划分功能模块。软件设计包括主程序和各模块子程序的设计，最后合成一个完整应用程序，与硬件设计相结合实现相应功能。

2.1 主程序设计

实现功能：

（1）接收远程启动、终止、传输等命令

（2）初始化单片机的寄存器、内存等

（3）启动湿度计、水位计

（4）LCD输出显示

（5）数据储存

（6）发送远程信号，传输数据

2.2 湿度采集子程序

湿度采集以单片机STC89C52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显示出来。

2.3 数据存储子程序

先向FLASH闪存芯片中写入当前时间，然后写入1min内湿度采集程序得出的环境参数、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。如果只键入月、日、时，则顺序显示该时间内的所有数据。若只键入月或只键入月、日，程序则提示条件不够。

3 结论结果分析

通过1个月的室外悬移质泥沙自动监测仪的试运行，结果显示此装置可以实现野外稳定运行，数据实时监测和预警。其中装置采用的锂电池可以维持装置至少1个月的工作，GPRS实现数据远程传输，在终端可以获取实时数据。

[1] 赵圣飞.基于STM32的数据采集储存系统的设计与实现.《中北大学》.2012(05).

[2] 实现高精度压力测量的电路设计[J].王金晨,尚伟,何印洲.伺服控制.2012(05).

Design of suspended sediment automatic monitor

Liu Yujie
（Beijing Forestry University，Beijing,100083）

Based on the single chip microcomputer STM32, a kind of suspended sediment automatic monitoring instrument is designed. Through the GPRS module, the data measured by the sensor, such as gravity sensor, can be transmitted to the remote terminal to realize the function of real-time monitoring of soil and water conservation in the field. The analog to digital conversion of the measured data is realized by the connection of ADS1256 and mcu. It has certain practical value to realize high precision measurement and real-time transmission.

suspended sediment; automatic monitoring; design