专利名称：一种可自动返回式采水器控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水下采样器械的自动控制设备，尤其是一种在水域的预定深度采样而无须缆绳的可自动返回式采水器控制装置。
背景技术：
海洋环境污染监测、水文物理观测、海水化学与地质调查和生物采样，大多情况下需要现场采集水样。即利用采水器从目标海域，采集一定条件下一定体积的水样，然后再在船上或陆地实验室中用相应仪器设备进行分析。
由于研究目的不同，海水水样的采集要求不同。有时需要在不同深度依次采样，获取梯度剖面的现场水体信息，以保证分析结果的统一性、规范性和类比性。Niskin(尼斯金)采样瓶(Niskin bottle)、简单的采样软管和船用吸泵都是目前广泛使用的水样采集装置。然而，现有技术中采水瓶依赖绞车调整其在海水中的采样深度，由于所系钢丝绳受海流的影响其倾斜是无法控制的，因此容易带来采样深度不准的问题；并且挂解采水瓶和操作击锤比较繁琐和耗时。若使用泵，那么不仅要想方设法保证电力，而且泵的机械力还会破坏研究中关键的絮状物等。另外，系有缆绳的采水装置在较浅或有茂密生长物等特殊水域中采集水样时，往往会遇到悬浮在水中的废弃物或植物根茎的牵绊。如果采用电控的采水器，那么必须同时投放电缆，如此不仅电能消耗大，而且使用也不方便。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种既能有效提高定深精度，又能节省人力物力的可自动返回式采水器控制装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是本发明装置设于采水器上，具有单片机，其输入端通过电平转换器接有压力传感器，输出端接有采水器配重控制电路及采水器中的采水瓶关闭控制电路。
所述控制装置的工作电源为干电池或充电电池，经稳压块输出至单片机、电平转换器及各固态继电器；所述采水器配重控制电路由固态继电器、第1～3继电器、第1、2限位开关及电动机组成，固态继电器的正、负输入端分别与工作电源中的第1电源及单片机相连，正输出端与第2电源之间串接有第2继电器线圈和第3继电器第2常开触点；第2限位开关的常闭触点与第1限位开关的常闭触点串联后与磁控开关并联，磁控开关的一端接至第2电源，另一端与电动机相连，第1限位开关的常开触点经第3继电器线圈接地，第2限位开关的常开触点经第1继电器线圈接地；电动机主回路上设有双掷开关，其由第1继电器第2触点及第1继电器第3触点组成，与第2限位开关的常闭触点相连；第3继电器第1常开触点接至单片机的输入端；所述固态继电器的输出端并联有第2继电器第2常开触点形成自保；磁控开关并联有第2继电器第1常开触点形成自保；第2限位开关的常开触点并联有第1继电器第1常开触点形成自保；所述采水瓶关闭控制电路为单片机的输出端通过固态继电器接有电磁阀，采水瓶关闭机构中的锁销设于该电磁阀的磁力作用范围内；所述采水瓶关闭控制电路为多套；所述单片机通过电平转换器与上位计算机进行通信连接；在采水器上安装有可向无线电接收机发射信号的无线电发射信标。
本发明具有以下有益效果及优点1.回收无需缆绳，避免使用缆绳引起的深度不准及水中的废弃物、植物根茎的牵绊。本发明装置既不需要使用钢丝绳(避免了使用绞车)，使用时也不需要连接电缆，节省电力，各瓶的采水深度通过编程一一设定，依靠压力传感器感知深度值，现场操作快速简便；通过释放配重使采水器在水中受到正浮力而自动上升，诸原开启状态的采水瓶在各预定深度依次闭合，完成剖面采水动作，因而避免了使用缆绳引起的深度不准、往往会遇到悬浮在水中的废弃物、植物根茎的牵绊或机械泵破坏研究物的问题；2.采水操作过程无需人工干预，可实现深度梯度采水自动化。本发明装置进入水中后的动作无需人为控制，设置于采水器上的无线电发射信标处于开启状态，发出定位信号，预计采水器完成采水的时间，届时手持无线电接收机进行定位以便回收；4.具有实用价值。本发明装置性能可靠，现场操作快速简便，装置定深准确，精度高，省时省力，具有实用意义；5.所用元器件均为市场上的成熟可靠产品，成本较低。
图1为本发明控制装置结构框图；图2为本发明采水器外型结构示意图；图3为本发明关闭采水机构示意图；图4为本发明控制装置电路原理图；图5为本发明实现配重悬挂与释放的驱动电动机控制电路图；图6为本发明控制程序流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明可自动返回式采水器的控制装置，密封于采水器，以单片机U1为控制核心，其输入端通过电平转换器U2接有压力传感器，输出端接有采水器配重控制电路及采水器中的采水瓶关闭控制电路。本发明的工作电源为干电池或充电电池，经稳压块U3输出至单片机U1、电平转换器U2及备固态继电器。
如图4所示，本实施例中，单片机U1型号为AT89C51，其XTAL1引脚与XTAL2引脚间连接晶振频率为11.0592MHz的晶体振荡器和30pf的微调电容。TXD(11脚)数据输出端与电平转换器U2(MAX232芯片)的10、11脚连接，RXD(10脚)数据输入端与MAX232芯片的9、12脚连接，实现单片机与上位计算机及压力传感器(本实施例采用Paroscientific，DIGIQUARTZ 8CB系列)的通信。
如图4所示，本实施例中，由干电池或充电电池组成的直流电源(+12V)用稳压块U3(TL780-05CKC)进行稳压，1引脚为+12V输入，3引脚为+5V输出。3脚与地(电源负极)串接10uf的电解电容，以改善瞬时特性。+5V为单片机及电平转换器MAX232供电，并通过排阻RX1为各固态继电器(SSR，型号GTJ10-1A 210VDC)提供正输入端的高电平。为消除线圈断电时产生的反电动势干扰，在每个固态继电器正输出端与+12V电源间串接一个稳压二极管。
如图5所示，所述采水器配重控制电路由第5固态继电器SSR-5、第1～3继电器J1～3、第1、2限位开关S-挂、S-松及电动机组成，固态继电器的正输入端通过电阻排中1K的电阻与第1电源(+5V)相连，负输入端与单片机U1的第1输出端P1.0相连，负输出端接地，两输出接线端与第2继电器第2常开触点J2-2并联，并且与第2电源(+12V)之间串接有第2继电器线圈J2和第3继电器第2常开触点J3-2；在第2电源与电动机M接线端之间，第2限位开关S-松的常闭触点与第1限位开关S-挂的常闭触点串联后同时与磁控开关T和第2继电器第1常开触点J2-1并联，第1限位开关S-挂的常开触点与“地”之间接有第3继电器线圈J3，第2限位开关S-松的常开触点与其公共端之间并联第1继电器的第1常开触点J1-1，与“地”间连接第1继电器线圈J1；在第2限位开关S-松的常闭触点与电动机M接线端之间，设有由第1继电器第2触点J1-2及第1继电器第3触点J1-3构成的可使电动机M电源换相的双掷开关；第3继电器第1常开触点J3-1接至单片机U1的输入触点P1.6。
如图4所示，所述采水瓶关闭控制电路为单片机U1的输出端P1.1～P1.4分别与四个固态继电器SSR1～SSR4的负输入端连接，每个固态继电器接有电磁阀，采水瓶关闭机构中的锁销6设于该电磁阀的磁力作用范围内。本实施例中的采水器具有四个采水瓶，如图2所示，采水瓶主体8为硬铝合金圆柱状防水耐压设计，外挂四个采水瓶2，下部挂有配重9，因此需四套采水瓶关闭控制电路对四个采水瓶卡盖进行关闭操作。
如图6所示，本发明工作过程如下采水器采水工作时，首先在岸上用电缆与上位计算机连接，进行自检，并通过人机交互界面进行释放配重深度、各采水瓶采水深度(各采水深度值均应小于释放配重深度值)的设置，将各深度值换算成压力值，存入单片机U1的ROM中。拔掉电缆，将采水器投入目的水域，在受到负浮力而不断下潜的过程中，单片机U1不断向压力传感器发出读取压力值的指令(*0100P3CrLf)，并不断收到压力传感器反馈回来的压力数值(*0001+压力数值，为处理方便，选水柱压力格式，单位为mH2O，如*000114.23，表示压力为14.23mH2O)，然后与预先设定的各压力(深度)值进行比较。当比较结果证明到达了预先设定的释放配重深度时，即将单片机U1的第1输出端P1.0置低位(即输出为低电压)，由于P1.0与一个固态继电器的负输入端连接，该固态继电器与三个继电器及两个限位开关构成的控制电路控制电动机动作以实现配重的释放。配重释放后，采水器受到正浮力，继续下潜一定深度后，上浮。当上浮到达预定采水深度时，将P1.X(X＝1、2、3或4)依次置低位(即输出为低电压)，此时各相应的固态继电器有电压输出；由于这四个固态继电器SSR-1～SSR-4的输出端各连接一个电磁阀，此时相应的电磁阀被通电，吸引锁销脱掉绳子，采水瓶卡盖关闭，相应各瓶完成采水动作。采水完成到达水面后，手持无线电接收机进行定位以便回收。
上述过程中配重的悬挂与释放过程如下利用一个固态继电器与三个继电器及两个限位开关构成的控制电路控制电动机动作以实现配重的悬挂与释放。在三个继电器中，第1继电器J1有三对触点，第2、3继电器J2、J3有两对触点。如图5中所示，除第1继电器第2常闭触点J1-2及第1继电器第3常闭触点J1-3为常闭触点外，其余皆为常开触点。当P1.6＝1(高电位)时表示未悬挂配重9；P1.6＝0(为低电位)时表示已挂配重9。悬挂配重9之前，可由电动机M转动带动的杆的最初位置是顶在S松上，则S松的常开触点(NO)接通，第1继电器的线圈J1通电，第1继电器第1常闭触点J1-1闭合起自保持作用，第1继电器第2常闭触点J1-2及第1继电器第3常闭触点断开，此时电机一旦通电，其电枢电流的方向即与原先相反，电机可反向转动。按磁控开关T，电机通电转动，带动杆，顶至S挂的位置(此时电机转动方向为由S松至S挂)，S挂的常开触点(NO)接通，J1断电，J3通电，J3-1与J3-2触点接通，由此P1.6电位变为低，表示配重9已悬挂；由于J3-2的接通，为J2通电创造可能。上述过程均在岸上操作。当采水器潜入水中向下运动至指定深度并可释放配重时，将单片机U1的第1输出端P1.0置低位，则第5固态继电器SSR-5有输出，第2继电器线圈J2随之带电，第2继电器第1常开触点、第2常开触点J2-1、J2-2接通，第2继电器第2常开触点J2-2起自保持作用，第2继电器第1常开触点J2-1的导通使电机开始转动，带动相应的机械机构释放配重9(此时电动机M转动方向为由S_挂至S_松)，第3继电器线圈J3断电，第3继电器第1常开触点、第2常开触点J3-1与J3-2断开，单片机U1的输入端P1.6电位变为高，表示配重9已释放。
关于采水瓶采水过程，如图3所示，采水瓶2为卡盖式结构，在瓶内有一根足够强度的橡皮筋1，连接两个卡盖3。采水时，将卡盖3打开，盖端各系一根绳子4，其中一根系在外部挂钩5上，另一根穿过挂钩5，打结套在一根锁销6上，锁销6的端面正对着电磁继电器(电磁阀)7，位于其磁力作用范围内，电磁阀7线圈通电后产生磁力，吸引锁销6向电磁阀7方向运动，使锁销6上的绳子4脱松，于是采水瓶卡盖3关闭，完成该采水瓶2的采水动作，随后进入待机状态，等待到达另一要求深度时发出的采水信号，共四瓶，皆如此。
本发明可自动返回式采水器为硬铝合金圆柱状防水耐压设计，既不需要使用钢丝绳(避免了使用绞车)，使用时也不需要连接电缆，外挂四个卡盖式结构的采水瓶，各瓶的采水深度通过编程一一设定。对采水器加载适当配重，使其在水中受到负浮力。在目的水域，将采水器自由投放，下潜过程中，通过压力传感器感知水深，当到达预定释放配重深度时，发指令释放配重，采水器继续下潜一定深度后，上浮。上浮过程中，诸原开启状态的采水瓶在各预定深度依次闭合，完成剖面采水动作。到达水面后，根据设置于采水器上的无线电信标发出的定位信号，手持无线电接收机进行定位和回收。本发明所用元器件均为市场上的成熟可靠产品，成本较低；编程设定采样深度，依靠压力传感器感知深度值，现场操作快速简便，采水操作亦无需人工干预，由此可实现深度梯度采水自动化，并且避免了因使用缆绳引起的深度不准或机械泵破坏研究物等问题。
权利要求
1.一种可自动返回式采水器控制装置，其特征在于设于采水器上，具有单片机(U1)，其输入端通过电平转换器(U2)接有压力传感器，输出端接有采水器配重控制电路及采水器中的采水瓶关闭控制电路。
2.按权利要求1所述的可自动返回式采水器控制装置，其特征在于所述控制装置的工作电源为干电池或充电电池，经稳压块(U3)输出至单片机(U1)、电平转换器(U2)、采水器配重控制电路及采水瓶关闭控制电路。
3.按权利要求1所述的可自动返回式采水器控制装置，其特征在于所述采水器配重控制电路由固态继电器、第1～3继电器(J1～J3)、第1、2限位开关(S-挂、S-松)及电动机(M)组成，固态继电器的正、负输入端分别与工作电源中的第1电源及单片机(U1)相连，正输出端与第2电源之间串接有第2继电器线圈(J2)和第3继电器第2常开触点(J3-2)；第2限位开关(S-松)的常闭触点与第1限位开关(S-挂)的常闭触点串联后与磁控开关(T)并联，磁控开关(T)的一端接至第2电源，另一端与电动机(M)相连，第1限位开关(S-挂)的常开触点经第3继电器(J3)线圈接地，第2限位开关(S-松)的常开触点经第1继电器线圈(J1)接地；电动机(M)主回路上设有双掷开关，其由第1继电器第2触点(J1-2)及第1继电器第3触点(J1-3)组成，与第2位开关(S-松)的常闭触点相连；第3继电器第1常开触点(J3-1)接至单片机(U1)的输入端。
4.按权利要求3所述的可自动返回式采水器控制装置，其特征在于固态继电器的输出端并联有第2继电器第2常开触点(J2-2)形成自保。
5.按权利要求3所述的可自动返回式采水器控制装置，其特征在于磁控开关(T)并联有第2继电器第1常开触点(J2-1)形成自保。
6.按权利要求3所述的可自动返回式采水器控制装置，其特征在于第2限位开关(S-松)的常开触点并联有第1继电器第1常开触点(J1-1)形成自保。
7.根据权利要求1所述的可自动返回式采水器的控制装置，其特征在于所述采水瓶关闭控制电路为单片机(U1)的输出端通过固态继电器接有电磁阀，采水瓶关闭机构中的锁销设于该电磁阀的磁力作用范围内。
8.根据权利要求7所述的可自动返回式采水器的控制装置，其特征在于所述采水瓶关闭控制电路为多套。
9.根据权利要求1所述的可自动返回式采水器的控制装置，其特征在于所述单片机(U1)通过电平转换器(U2)与上位计算机进行通信连接。
10.根据权利要求1所述的可自动返回式采水器的控制装置，其特征在于在所述采水器上安装有可向无线电接收机发射信号的无线电发射信标。
全文摘要
本发明涉及一种可自动返回式采水器控制装置，设于采水器上，具有单片机，其输入端通过电平转换器接有压力传感器，输出端接有采水器配重控制电路及采水器中的采水瓶关闭控制电路，所述控制装置的工作电源为干电池或充电电池，经稳压块输出至单片机、电平转换器、采水器配重控制电路及采水瓶关闭控制电路。本发明使采水器的投放与回收无需缆绳，避免使用缆绳引起的深度不准及水中的废弃物、植物根茎的牵绊，或机械泵破坏研究物的问题；采水操作过程无需人工干预，可实现深度梯度采水自动化；性能可靠，具有实用价值。
文档编号G01N1/10GK101038243SQ200610134450
公开日2007年9月19日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者于建清, 龚德俊, 徐永平, 李思忍 申请人:中国科学院海洋研究所