基于STM32的分层采水控制系统设计

高金龙　李新娟　蒋庆林

摘要：本文设计了一个基于STM32单片机的自容式CTD采水控制系统。该控制系统采用蓄电池供电，通过CTD传感器采集并存储温盐深数据，实时检测系统周围海水压力作为采水控制的触发条件，实现对不同深度海水的自动取样，具有结构简单，工作可靠的特点。

[关键词]采水STM32F103ZET6控制系统设计

海水的温度、盐度、深度是海洋水文调查和海洋水质监测的重要参数。海洋水质监测首先要采取相应的水质样本，从而得到目的深度海水的各项指标，实现对海洋水资源的多层次采样具有重大的科研价值。本文立足于高效率、高精度的样本采集需求，设计了一种多深度CTD采水控制系统，采用自动控制技术，可以实现温盐深数据采集存储、自动采水等功能。

1控制系统整体结构

如图1所示，CTD采水测控系统的组成如图1所示。其中单片机位于控制舱内，根据CTD传感器采集的数据判断系统周围海水压力值，实时计算得到深度值，在设置好的的深度下发送采水信号给释放机构，触发相应的采水器采集水样。

自主式CTD采水器控制系统单片机主控模块位于特殊制造的密封舱内。由于密封艙需要承受外界海水压力，因此单片机主控模块的尺寸应尽量小，外形应尽量细长，否则密封舱的尺寸、壁厚和重量都会加大。整个控制系统采用蓄电池供电，因此应采用低功耗设计，同时，为保证系统正常工作，要求控制系统抗干扰性强、稳定性好。

因此，要求设计的取样控制系统必须具有以下功能：系统的工作参数可调、实时监测周围海水温盐深参数、电源管理、异常处理等，能够实现自主式采水控制。

2控制系统硬件设计

本文设计的控制系统硬件主要包括：单片机主控模块、电源模块、CTD传感器、EEPROM存储模块、SD卡存储模块、固态继电器组等，如图2所示。

单片机主控模块采用STM32F103ZET6作为系统核心控制芯片，内置32位Corex-M3内核，最高工作频率为72MHZ，支持ADC、USART、SDIO等模块，具有超低功耗、高可靠性等优点，适用于电力电子系统、电机驱动、应用控制等领域。

电源模块主要由蓄电池和电源转换芯片组成。蓄电池提供的24V电压直接提供给CTD传感器、继电器组;采用电源转换芯片K7803-500R3将电压转换为3.3V之后给单片机系统供电。

由于STM32F103ZET6内部集成了12位A/D转换模块，可用于监测蓄电池电压，通过电平转换之后输入给单片机。

单片机的I/O模块输出信号控制继电器组，通过电磁释放机构打开采样瓶，实现整个取样过程的自动控制。

EEPROM存储模块采用FM24CL16，用于工作参数的存储，系统中采用两个并行I/O口进行软件模拟产生I2C总线时序信号，实现数据的读写。SD卡存储模块通过单片机自带的标准SD卡接口，用于存储工作过程中的采集数据、状态信息等。

固态继电器组由6个H3MB-052D继电器组成，采用高电平触发，具有灵敏度高、电磁干扰小、控制功率小的特点。

3控制系统软件设计

采水器控制系统软件程序采用C语言进行设计，采用KeilMDK开发环境，主要完成命令的收发、参数存储、工作状态监测以及采水控制等功能。软件采用模块化设计，主要包括以下几个功能模块：系统初始化模块、串口通信模块、EEPROM存储模块、A/D定时中断数据处理模块以及固态继电器控制模块、SD卡存储模块等。

控制系统软件的主要工作流程如图3所示。控制程序在系统上电后先进行系统初始化工作，然后读取存储在EEPROM中的数据，包括预先设置的采水深度、系统采水状态等。控制系统采用中断的方式实现蓄电池电压检测、温盐深数据获取、SD卡存储等操作。当根据CTD传感器采集数据计算得到的系统所在深度与预设深度相近时，单片机给出对应深度的采水触发信号，截取当前深度水样到相应的采水瓶中。当采水状态发生变化后，实时更新工作状态并写入到EEPROM中存储。

4结语

本文介绍了基于STM32的CTD分层采水控制系统，并给出了控制系统的硬件结构和软件功能模块，能够获取并存储海水垂直剖面的温盐深等参数数据，同时自动采集6种深度的海水样本，具有集成度高、体积小、功耗低等特点，可用于海洋科学研究和海洋调查领域。

参考文献

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