一种用于走航测量的大气采样器自动控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种用于走航测量的大气采样器自动控制系统，属于海洋大气监测的技术领域。

背景技术：

作为陆源污染物进入海洋的主要通道，同时作为陆海相互作用的主要桥梁，海洋大气环境已成为全球环境变化研究的主要内容之一，其相关监测技术的发展也在研究过程中发挥极其重要的作用。依据现有的海洋大气监测技术规程，海洋大气监测项目主要包括悬浮颗粒物测量和降水测量，其中悬浮颗粒物项目的样品采集工作由大气采样器和采样滤膜共同完成。中国专利CN103278356B公开了一种悬浮颗粒物测量的装置及采样方法。

走航式测量是海洋大气监测最常见和最有效的主要测量方法。在走航式测量的过程中，大气采样器通常会被固定于航行船舶的顶层甲板，用于避免海水浪花对样品的影响，待采样滤膜固定好以后，船舶启航并开始不间断的采样，直至预定时间结束采样完成。但在下列两种特殊情况下，大气采样器需要暂时停止采样：一是降雨，二是停船。前者主要为了采集无降雨状态下的悬浮颗粒物样品，后者则主要为了避免停船时船舶排放的烟尘对样品造成可能的影响。现有技术中实用的大气采样器在遇到上述两种情况时，需要人工进行手动操作。采样人员在降雨或停船情况出现时到顶层甲板关闭大气采样器，暂停采样，等降雨停止或船舶起航后重新开启大气采样器，继续采样。这就给走航测量带来了不便：一方面，海上天气情况多变，尤其夜间无法及时获取降雨信息从而影响样品的采集；另一方面，不定时的往返顶层甲板不仅增加了采样人员的工作量，海况恶劣时也给采样人员的人身安全带来隐患。除此之外，现有技术中采用的大气采样器工作状态无法远程显示，为避免仪器故障等因素影响样品采集，需要采样人员定时到顶层甲板查看仪器工作状态。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种用于走航测量的大气采样器自动控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于走航测量的大气采样器自动控制系统，包括分别与控制器连接的感雨模块、船舶启停感应模块和大气采样器；大气采样器通过继电器与控制器连接。感雨模块控制降雨时大气采样器的自动关闭和降雨结束后的自动开启。船舶启停感应模块控制停船时大气采样器的自动关闭和船舶启动后的自动开启。大气采样器在控制器的控制下进行大气采样。

优选的，控制器为MSP430F149控制器。

进一步优选的，MSP430F149控制器连接有HEADER-7X2POL Jtag下载模块、32768Hz晶振电路和复位电路。上述三个模块功能上分别实现控制器程序的写入和下载、为控制器提供时钟信号和复位功能。

优选的，感雨模块包括感雨板及与感雨板连接的LM392比较器，LM392比较器内存储有雨量阈值；船舶启停感应模块包括GPS模块，GPS模块与控制器连接，控制器内存储有航速阈值。当降雨发生时，感雨板产生感应信号，感应信号进入LM392比较器与雨量阈值比较，如果感应信号的信号强度大于雨量阈值，则LM392比较器输出TTL低电平，控制器输出TTL低电平驱动继电器打开，大气采样器停止采样。感雨模块对降雨的感应灵敏度可通过设定雨量阈值来实现，此功能一方面可根据需要设定大气采样器对不同降雨大小的响应，另一方面可以甄别海上水汽在感雨板凝结引发的假信号，避免控制器因工作环境湿度大而非降雨错误打开继电器。无降雨时，感雨板无感应信号，LM392比较器输出TTL高电平信号。

航速阈值用于判定船舶的启停。控制器实时采集GPS模块的船舶航速并与设定的航速阈值进行比较，如果船舶航速小于航速阈值，判定船舶停船，GPS模块输出TTL低电平，驱动继电器打开，大气采样器停止采样。当船舶航速大于航速阈值，判定船舶航行，GPS模块输出TTL高电平信号。

控制器实现感雨模块和GPS模块输出信号的逻辑控制，只有当二者的输出信号同时为TTL高电平时控制器输出TTL高电平，大气采样器正常开启。

进一步优选的，所述大气采样器自动控制系统还包括室内PC终端及分别与控制器连接的声传感器模块和Zigbee无线传输模块；控制器内存储有工作时长T。声传感器模块和Zigbee无线传输模块功能上共同实现大气采样器工作状态的自动诊断和无线发送；大气采样器的工作状态无线传输到室内PC终端进行远程显示。

再进一步优选的，声传感器模块包括话筒及与话筒连接的LM393比较器；LM393比较器内设置有噪音阈值。将大气采样器不工作时的背景噪声设定为噪音阈值。话筒通过采集大气采样器周围环境的噪音强度并与噪音阈值比较判断大气采样器是否工作。噪音强度大于噪音阈值，表明大气采样器正常工作；噪音强度与阈值相当，则表明大气采样器停止工作。

再进一步优选的，GPS模块和ZigBee无线传输模块通过ADM3202ARN芯片与控制器连接。ADM3202ARN芯片为高速、双通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V单电源供电。ADM3202ARN芯片功能上实现控制器与GPS模块和ZigBee无线传输模块的串口连接。

优选的，大气采样器自动控制系统还包括设置有MAX738A芯片的+5V供电电路和设置有LM1117芯片的+3.3V供电电路。供电电路满足电路系统中各部件工作电压的需要。

一种利用上述系统进行大气采样器走航测量的自动控制方法，包括步骤如下：

1)大气采样器停止采样；

A、船舶停航判断：

GPS模块实时向控制器上传船舶航速；控制器将船舶航速与航速阈值进行比较，如果船舶航速小于航速阈值，判定船舶停船，GPS模块输出TTL低电平驱动继电器打开，大气采样器停止采样；如果船舶航速大于航速阈值，判定船舶航行，GPS模块输出TTL高电平；

B、降雨判断：

当降雨发生时，感雨板产生感应信号，感应信号进入LM392比较器与雨量阈值比较，如果感应信号的信号强度大于雨量阈值，则LM392比较器输出TTL低电平，继电器打开，大气采样器停止采样；无降雨时，感雨板无感应信号，LM392比较器输出TTL高电平；

2)大气采样器恢复采样；

当感雨模块和GPS模块均输出TTL高电平时，控制器输出TTL高电平，继电器打开，大气采样器正常采样；控制器记录和存储控制器输出TTL高电平的总时间t。控制器输出TTL高电平的总时间，即为大气采样器的工作时间。

3)当控制器输出TTL高电平的总时间t达到设定的工作时长T时，大气采样器停止采样。该步骤的目的是提醒操作者进行换样。

优选的，步骤2)之后还包括自动诊断大气采样器工作状态及无线传输工作状态的步骤：

4)话筒采集的噪音强度在LM393比较器中与噪音阈值比较，如果噪音强度大于噪音阈值，则判定大气采样器的工作状态为“正常采样”；如果噪音强度小于等于噪音阈值，则判定大气采样器不工作；

5)当步骤4)中判定大气采样器不工作时，控制器判断GPS模块和LM392比较器的输出信号；如果GPS模块或LM392比较器的输出信号为输出TTL低电平，则判定大气采样器的工作状态为“暂停采样”；如果GPS模块和LM392比较器的输出信号均为TTL高电平，则进入步骤6)进行进一步的状态判断；

6)如果控制器输出TTL高电平的总时间t达到设定的工作时长T，则判定大气采样器的工作状态为“换样提醒”；否则，判定大气采样器的工作状态为“仪器故障”；当大气采样器的工作状态为“换样提醒”，控制器对输出TTL高电平的总时间t进行清零。

优选的，控制器将大气采样器的工作状态通过Zigbee无线传输模块传输到室内PC终端。控制器自动判定大气采样器的工作状态后，判定结果连同实时经纬度信息生成数据包输出至ZigBee无线传输模块的射频芯片，射频芯片通过ZigBee网络发送室内PC终端并远程显示。

该实用新型的有益之处是：

1、本实用新型所述用于走航测量的大气采样器自动控制系统，在降雨和停船情况下实现了大气采样器的自动启停，并完整记录自动启停过程中的时间、位置等信息，满足监测要求的同时，有效节约了人力成本；

2、本实用新型所述用于走航测量的大气采样器自动控制系统，实现了大气采样器工作状态的自动诊断及远程显示，工作人员在室内便可对顶层甲板的大气采样器进行远程监控，极大提高了工作效率。

附图说明

图1为本实用新型所述用于走航测量的大气采样器自动控制系统的结构框图；

图2为Jtag下载模块、32768Hz晶振电路、复位电路与控制器连接及GPS模块和ZigBee无线传输模块通过ADM3202ARN芯片与控制器连接的电路图；

图3a为声传感器模块电路图；

图3b为感雨模块电路图；

图4为GPS模块和ZigBee无线传输模块与ADM3202ARN芯片连接的电路图；

图5为复位电路的电路图；

图6为+5V供电电路图；

图7为+3.3V供电电路图；

图8为本实用新型所述大气采样器的电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示。

一种用于走航测量的大气采样器自动控制系统，包括分别与控制器连接的感雨模块、船舶启停感应模块和大气采样器；大气采样器通过继电器与控制器连接。感雨模块控制降雨时大气采样器的自动关闭和降雨结束后的自动开启。船舶启停感应模块控制停船时大气采样器的自动关闭和船舶启动后的自动开启。大气采样器在控制器的控制下进行大气采样。

实施例2

如图2所示。

如实施例1所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，控制器为MSP430F149控制器(大气采样器的电路结构示意图如图8所示)。

实施例3

如实施例2所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，MSP430F149控制器连接有HEADER-7X2POL Jtag下载模块、32768Hz晶振电路和复位电路(如图2、图5所示)。上述三个模块功能上分别实现控制器程序的写入和下载、为控制器提供时钟信号和复位功能。

实施例4

如实施例1所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，感雨模块包括感雨板及与感雨板(感雨板为深圳市时代华信科技有限公司生产的型号为HL-83的感雨板)连接的LM392比较器(感雨模块的电路图如图3b所示)，LM392比较器内存储有雨量阈值；船舶启停感应模块包括GPS模块，GPS模块与控制器连接，控制器内存储有航速阈值。当降雨发生时，感雨板产生感应信号，感应信号进入LM392比较器与雨量阈值比较，如果感应信号的信号强度大于雨量阈值，则LM392比较器输出TTL低电平，控制器输出TTL低电平驱动继电器打开，大气采样器停止采样。感雨模块对降雨的感应灵敏度可通过设定雨量阈值来实现，此功能一方面可根据需要设定大气采样器对不同降雨大小的响应；另一方面可以甄别海上水汽在感雨板凝结引发的假信号，避免控制器因工作环境湿度大而非降雨错误打开继电器。无降雨时，感雨板无感应信号，LM392比较器输出TTL高电平信号。

航速阈值用于判定船舶的启停。控制器实时采集GPS模块的船舶航速并与设定的航速阈值进行比较，如果船舶航速小于航速阈值，判定船舶停船，GPS模块输出TTL低电平，驱动继电器打开，大气采样器停止采样。当船舶航速大于航速阈值，判定船舶航行，GPS模块输出TTL高电平信号。

控制器实现感雨模块和GPS模块输出信号的逻辑控制，只有当二者的输出信号同时为TTL高电平时控制器输出TTL高电平，大气采样器正常开启。

实施例5

如实施例4所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，所述大气采样器自动控制系统还包括室内PC终端及分别与控制器连接的声传感器模块和Zigbee无线传输模块；控制器内存储有工作时长T。声传感器模块和Zigbee无线传输模块功能上共同实现大气采样器工作状态的自动诊断和无线发送；大气采样器的工作状态无线传输到室内PC终端进行远程显示。

实施例6

如图3a所示。

如实施例5所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，声传感器模块包括话筒及与话筒连接的LM393比较器；LM393比较器内设置有噪音阈值。将大气采样器不工作时的背景噪声设定为噪音阈值。话筒通过采集大气采样器周围环境的噪音强度并与噪音阈值比较判断大气采样器是否工作。噪音强度大于噪音阈值，表明大气采样器正常工作；噪音强度与阈值相当，则表明大气采样器停止工作。

实施例7

如图5所示。

如实施例5所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，GPS模块和ZigBee无线传输模块通过ADM3202ARN芯片与控制器连接；ADM3202ARN芯片为高速、双通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V单电源供电。ADM3202ARN芯片功能上实现控制器与GPS模块和ZigBee无线传输模块的串口连接。

实施例8

如图6-7所示。

如实施例1所述的用于走航测量的大气采样器自动控制系统，所不同的是，大气采样器自动控制系统还包括设置有MAX738A芯片的+5V供电电路和设置有LM1117芯片的+3.3V供电电路。供电电路满足电路系统中各部件工作电压的需要。