设计应用

海洋微生物原位浓缩保压采样控制系统设计

0 引言

    海洋约覆盖了地球表面积的71%,其中蕴藏丰富的生物资源和矿产资源,海洋微生物及其基因资源的开发将为新型生物制药、绿色化工等生物工程技术的发展提供新的途径与生物材料,具有重要科研价值和开发潜力[1-5]。海洋微生物研究首先是要获取大量微生物样本,而传统的取样设备受取样筒容积的限制,只能获取较少数量样本,且不能保证样本的原位压力,导致所采集的生物幼体成活率低,因此,研制能保持原位压力的海洋微生物浓缩取样器对微生物研究具有非常重要的意义[6]。本文设计并研制了一种6 000 m级海洋微生物原位浓缩保压采样系统,通过单片机自动控制,可实现海洋微生物的原位、浓缩、保压采样。

1 系统整体结构和工作原理

1.1 系统整体结构

    海洋微生物原位浓缩保压采样系统由耐压密封舱、控制子系统和保压采样子系统组成。控制子系统包括主控模块、压力传感器、继电器、电机及磁力传动装置、电源模块等,保压采样子系统包括取样泵、双活塞取样筒、蓄能器、电磁阀组等部分,系统可实现海洋微生物的原位、浓缩、保压采样,系统结构图如图1所示。

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1.2 系统工作原理

    系统工作原理如图2所示。该系统通过压力传感器完成海水压力的监测和信号转换,主控模块通过数据采集、信号处理和计算,得到系统下放深度,然后对这些参数进行判断,达到设定取样深度后,发送取样指令驱动取样泵装置工作;借助取样筒的过滤机构实现深海生物的截留,实现浓缩采样;通过取样筒的自适应压力平衡机构,保证下放过程中,外部海水不会进入取样筒,从而保证了样品的原位特性,避免样品被其他海水层的海洋生物污染;同时,利用蓄能器的保压特性,保证样品的原位压力。

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    为实现海洋微生物的原位取样,保证取样系统下放至指定深度前取样筒内不受污染,且取样时不会出现压力突变现象,本系统采用一个两位两通电磁阀(常闭)和两位三通电磁换向阀[7](常闭)分别控制取样器的两端入口,取样器在下放前,取样筒中预先充满纯净水,取样原理如图3所示。系统工作过程分为取样前、下放、取样、回收四个阶段,具体过程如下:

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    (1)取样前:首先通过计算机向系统设置工作参数,包括采样深度、采样时间等,设置成功后,检查密封,将取样筒的腔内及进出水管道中充满纯净水,准备投放取样。

    (2)下放:系统下放的过程中控制实时监测所在位置深度,当外界海水压力超过蓄能器的预充压力时,蓄能器开启并开始蓄能,保证压力平衡同时取样筒内不会受到外界海水污染。

    (3)取样:当满足取样条件时,单片机控制电机启动,排净深水泵装置泵腔内的海水,防止其他水层海水污染样品。随后,两位两通电磁阀和两位三通电磁换向阀打开,取样筒、蓄能器、外界海水三者联通。随着取样泵的工作,海水被吸入取样筒,经过滤装置,对样品截留、浓缩。当工作时间达到预设值,深水泵和电磁阀关闭,完成取样过程。

    (4)回收:在装置回收过程中,电磁换向阀仍处于关闭状态,样品被密封在取样筒内与蓄能器所围成的密闭空间之中。

    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、对周围海水压力实时监测、电源管理、异常处理等,能够实现自主式取样控制。同时,控制系统应具有高可靠性、低功耗等特点,其硬件的设计也应尽量小型化,以减小密封舱体的体积和重量。

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、电机及磁力传动装置、外部通信插座、压力传感器和其他辅助电路模块等,如图4所示。

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2.1 单片机主控模块

    本系统采用STC12C5620AD作为系统核心控制芯片,其集成高速A/D转换器、UART串口、EEPROM、看门狗等模块,具有低功耗、高可靠性、抗强干扰等优点,适用于电机控制、强干扰的场合[8-10]

    由于STC12C5620AD内部集成了A/D转换模块,可直接实现压力传感器信号采集以及系统电源监测,省去了外部A/D转换电路,增加了控制系统的稳定性,降低了系统功耗。

    单片机的I/O模块输出信号控制电机的运行状态,并结合固态继电器控制电磁阀的开关,实现整个取样过程的自动控制。

    控制系统采用STC单片机自带的EEPROM模块实现工作参数的存储,无需额外存储芯片,简化了电路设计,节省空间。

2.2 电源模块

    电源模块主要由蓄电池和电源转换芯片组成。其中电机、电磁阀以及压力传感器采用蓄电池直接供电方式,供电电压24 V。蓄电池输出电压通过电源芯片转换为5 V,用于为单片机、串口芯片等供电。

2.3 电机及磁力传动装置

    为增强系统可靠性,降低成本,采用磁力传动的方式实现可靠控制取样泵[11]。如图5所示,电机密封于耐压仓内,电机转轴带动外转子转动,外转子上的磁钢随之转动,形成旋转磁场,在该磁场作用下,密封仓外面内转子上的磁钢随之转动,电机转轴与取样泵叶轮转子之间非接触传动,实现了密封电机间接控制采样的目的,避免了采用深水电机带来的高成本,同时提高了系统的可靠性。

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    磁传动实现了电机转轴与取样泵叶轮转子转轴之间非接触传动,实现静密封替代动密封,密封效果大大提高。通过磁力间隙——扭矩试验得出磁力间隙与扭矩的对应关系曲线,选择合适的电机和密封舱壁厚。

    试验通过扭矩传感器测量内外转子脱磁时的扭矩,调整内外转子之间的间隙,测量不同间隙下内外转子之间的扭矩值,从而得到磁力间隙——扭矩的对应关系曲线,如图6所示。试验结果表明:磁间隙为9 mm时,扭矩传感器得的脱磁扭矩为0.1 N·m。本系统取样泵叶轮启动扭矩约为0.03 N·m,因此,采用磁传动的方式能满足系统要求。

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2.4 外部通信接口

    控制系统主要位于高压密封舱内,在实际操作中蓄电池需要充电,单片机系统与上位机之间需要通信,此外,为减少蓄电池能源损耗,在系统下放入水前,蓄电池不应为控制系统供电。为避免频繁开启密封舱,在高压密封舱安装一个7芯水密插座,采用7芯水密插头实现在不开启密封舱的条件下完成从非工作模式到系统正常工作模式、蓄电池充电模式等模式的快速转换,避免了不必要的拆卸工作。

    控制系统主要位于高压密封舱内,在密封舱底部安装一个7芯水密插座,该插座内侧位于密封舱内,内侧各个插芯分别连接各设备,如图7所示,系统在非工作模式下,蓄电池与其他设备不构成闭合回路(1、6插芯不短接),防止了不必要的电能损耗。

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    系统正常工作模式下,蓄电池为控制系统供电,此时,将一个1、6插芯被短接的7芯插头插到该7芯水密插座上,此时密封舱内部形成完整回路,蓄电池为控制系统供电,系统正常取样工作。

    在蓄电池充电模式下,将一个连接外部充电器的7芯插头(仅使用5、6插芯)插到该7芯水密插座上,此时外部充电器仅与密封舱内蓄电池连接,实现充电目的。

3 控制系统软件设计

    本文的软件程序采用C语言进行设计,控制系统软件部分主要完成命令的收发、参数存储、工作状态监测以及取样控制等功能。软件设计主要包括以下几个部分:程序初始化模块、串口通信模块、EEPROM读写模块、A/D定时中断数据处理模块以及微生物取样控制模块等[12],控制系统软件的主要工作流程如图8所示。

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    为保证系统在指定水深范围内进海洋微生物的浓缩取样,压力传感器的测量数据准确性非常重要,因此,控制系统软件中对压力传感器的测量值进行了软件滤波处理,并对异常值进行判断剔除,保证了取样工作的正常进行。

4 系统样机

    为测试海洋微生物浓缩取样控制系统实际工作情况,研制了海洋微生物采样系统样机,如图9所示,能够实现深海浮游生物的无污染、无压力突变、浓缩保压取样,本系统随考察船进行了海试试验,在海试中,系统工作正常,取得了目标深度的海洋微生物浓缩样本。

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5 结论

    为实现对海洋微生物的自容式原位保压浓缩取样,根据系统功能要求,本文设计并实现了一个基于STC单片机的取样控制系统,采用磁力传动的方式解决电机可靠密封的问题,给出了系统无污染无压力突变浓缩保压采样的工作方案,简化了控制系统设计,最后形成样机。经实验表明,本文设计的海洋微生物浓缩取样控制系统可靠稳定,实现了预期目标。

参考文献

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[12] 杨峰,胡彬,罗青青.STC单片机AD转换及EEPROM使用[J].数字技术与应用,2011(9):169-171.



作者信息:

李小峰1,李新娟1,高金龙1,温京亚1,宋文杰1,刘巧君1,王  磊2

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东 青岛266001;

2.青岛市职业教育公共实训基地,山东 青岛266112)

海洋微生物 自容式采样 磁力传动 控制系统设计 STC12C5620AD