本實用新型涉及一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，屬于海洋大氣監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

作為陸源污染物進入海洋的主要通道，同時作為陸海相互作用的主要橋梁，海洋大氣環(huán)境已成為全球環(huán)境變化研究的主要內(nèi)容之一，其相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也在研究過程中發(fā)揮極其重要的作用。依據(jù)現(xiàn)有的海洋大氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，海洋大氣監(jiān)測項目主要包括懸浮顆粒物測量和降水測量，其中懸浮顆粒物項目的樣品采集工作由大氣采樣器和采樣濾膜共同完成。中國專利CN103278356B公開了一種懸浮顆粒物測量的裝置及采樣方法。

走航式測量是海洋大氣監(jiān)測最常見和最有效的主要測量方法。在走航式測量的過程中，大氣采樣器通常會被固定于航行船舶的頂層甲板，用于避免海水浪花對樣品的影響，待采樣濾膜固定好以后，船舶啟航并開始不間斷的采樣，直至預(yù)定時間結(jié)束采樣完成。但在下列兩種特殊情況下，大氣采樣器需要暫時停止采樣：一是降雨，二是停船。前者主要為了采集無降雨狀態(tài)下的懸浮顆粒物樣品，后者則主要為了避免停船時船舶排放的煙塵對樣品造成可能的影響?，F(xiàn)有技術(shù)中實用的大氣采樣器在遇到上述兩種情況時，需要人工進行手動操作。采樣人員在降雨或停船情況出現(xiàn)時到頂層甲板關(guān)閉大氣采樣器，暫停采樣，等降雨停止或船舶起航后重新開啟大氣采樣器，繼續(xù)采樣。這就給走航測量帶來了不便：一方面，海上天氣情況多變，尤其夜間無法及時獲取降雨信息從而影響樣品的采集；另一方面，不定時的往返頂層甲板不僅增加了采樣人員的工作量，海況惡劣時也給采樣人員的人身安全帶來隱患。除此之外，現(xiàn)有技術(shù)中采用的大氣采樣器工作狀態(tài)無法遠程顯示，為避免儀器故障等因素影響樣品采集，需要采樣人員定時到頂層甲板查看儀器工作狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)。

本實用新型的技術(shù)方案如下：

一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，包括分別與控制器連接的感雨模塊、船舶啟停感應(yīng)模塊和大氣采樣器；大氣采樣器通過繼電器與控制器連接。感雨模塊控制降雨時大氣采樣器的自動關(guān)閉和降雨結(jié)束后的自動開啟。船舶啟停感應(yīng)模塊控制停船時大氣采樣器的自動關(guān)閉和船舶啟動后的自動開啟。大氣采樣器在控制器的控制下進行大氣采樣。

優(yōu)選的，控制器為MSP430F149控制器。

進一步優(yōu)選的，MSP430F149控制器連接有HEADER-7X2POL Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路和復(fù)位電路。上述三個模塊功能上分別實現(xiàn)控制器程序的寫入和下載、為控制器提供時鐘信號和復(fù)位功能。

優(yōu)選的，感雨模塊包括感雨板及與感雨板連接的LM392比較器，LM392比較器內(nèi)存儲有雨量閾值；船舶啟停感應(yīng)模塊包括GPS模塊，GPS模塊與控制器連接，控制器內(nèi)存儲有航速閾值。當降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，控制器輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。感雨模塊對降雨的感應(yīng)靈敏度可通過設(shè)定雨量閾值來實現(xiàn)，此功能一方面可根據(jù)需要設(shè)定大氣采樣器對不同降雨大小的響應(yīng)，另一方面可以甄別海上水汽在感雨板凝結(jié)引發(fā)的假信號，避免控制器因工作環(huán)境濕度大而非降雨錯誤打開繼電器。無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平信號。

航速閾值用于判定船舶的啟停?？刂破鲗崟r采集GPS模塊的船舶航速并與設(shè)定的航速閾值進行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平，驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。當船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平信號。

控制器實現(xiàn)感雨模塊和GPS模塊輸出信號的邏輯控制，只有當二者的輸出信號同時為TTL高電平時控制器輸出TTL高電平，大氣采樣器正常開啟。

進一步優(yōu)選的，所述大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括室內(nèi)PC終端及分別與控制器連接的聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊；控制器內(nèi)存儲有工作時長T。聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊功能上共同實現(xiàn)大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷和無線發(fā)送；大氣采樣器的工作狀態(tài)無線傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端進行遠程顯示。

再進一步優(yōu)選的，聲傳感器模塊包括話筒及與話筒連接的LM393比較器；LM393比較器內(nèi)設(shè)置有噪音閾值。將大氣采樣器不工作時的背景噪聲設(shè)定為噪音閾值。話筒通過采集大氣采樣器周圍環(huán)境的噪音強度并與噪音閾值比較判斷大氣采樣器是否工作。噪音強度大于噪音閾值，表明大氣采樣器正常工作；噪音強度與閾值相當，則表明大氣采樣器停止工作。

再進一步優(yōu)選的，GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接。ADM3202ARN芯片為高速、雙通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V單電源供電。ADM3202ARN芯片功能上實現(xiàn)控制器與GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊的串口連接。

優(yōu)選的，大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括設(shè)置有MAX738A芯片的+5V供電電路和設(shè)置有LM1117芯片的+3.3V供電電路。供電電路滿足電路系統(tǒng)中各部件工作電壓的需要。

一種利用上述系統(tǒng)進行大氣采樣器走航測量的自動控制方法，包括步驟如下：

1)大氣采樣器停止采樣；

A、船舶停航判斷：

GPS模塊實時向控制器上傳船舶航速；控制器將船舶航速與航速閾值進行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；如果船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平；

B、降雨判斷：

當降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平；

2)大氣采樣器恢復(fù)采樣；

當感雨模塊和GPS模塊均輸出TTL高電平時，控制器輸出TTL高電平，繼電器打開，大氣采樣器正常采樣；控制器記錄和存儲控制器輸出TTL高電平的總時間t?？刂破鬏敵鯰TL高電平的總時間，即為大氣采樣器的工作時間。

3)當控制器輸出TTL高電平的總時間t達到設(shè)定的工作時長T時，大氣采樣器停止采樣。該步驟的目的是提醒操作者進行換樣。

優(yōu)選的，步驟2)之后還包括自動診斷大氣采樣器工作狀態(tài)及無線傳輸工作狀態(tài)的步驟：

4)話筒采集的噪音強度在LM393比較器中與噪音閾值比較，如果噪音強度大于噪音閾值，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“正常采樣”；如果噪音強度小于等于噪音閾值，則判定大氣采樣器不工作；

5)當步驟4)中判定大氣采樣器不工作時，控制器判斷GPS模塊和LM392比較器的輸出信號；如果GPS模塊或LM392比較器的輸出信號為輸出TTL低電平，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“暫停采樣”；如果GPS模塊和LM392比較器的輸出信號均為TTL高電平，則進入步驟6)進行進一步的狀態(tài)判斷；

6)如果控制器輸出TTL高電平的總時間t達到設(shè)定的工作時長T，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”；否則，判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“儀器故障”；當大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”，控制器對輸出TTL高電平的總時間t進行清零。

優(yōu)選的，控制器將大氣采樣器的工作狀態(tài)通過Zigbee無線傳輸模塊傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端。控制器自動判定大氣采樣器的工作狀態(tài)后，判定結(jié)果連同實時經(jīng)緯度信息生成數(shù)據(jù)包輸出至ZigBee無線傳輸模塊的射頻芯片，射頻芯片通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送室內(nèi)PC終端并遠程顯示。

該實用新型的有益之處是：

1、本實用新型所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，在降雨和停船情況下實現(xiàn)了大氣采樣器的自動啟停，并完整記錄自動啟停過程中的時間、位置等信息，滿足監(jiān)測要求的同時，有效節(jié)約了人力成本；

2、本實用新型所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷及遠程顯示，工作人員在室內(nèi)便可對頂層甲板的大氣采樣器進行遠程監(jiān)控，極大提高了工作效率。

附圖說明

圖1為本實用新型所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路、復(fù)位電路與控制器連接及GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接的電路圖；

圖3a為聲傳感器模塊電路圖；

圖3b為感雨模塊電路圖；

圖4為GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊與ADM3202ARN芯片連接的電路圖；

圖5為復(fù)位電路的電路圖；

圖6為+5V供電電路圖；

圖7為+3.3V供電電路圖；

圖8為本實用新型所述大氣采樣器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明，但不限于此。

實施例1

如圖1所示。

一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，包括分別與控制器連接的感雨模塊、船舶啟停感應(yīng)模塊和大氣采樣器；大氣采樣器通過繼電器與控制器連接。感雨模塊控制降雨時大氣采樣器的自動關(guān)閉和降雨結(jié)束后的自動開啟。船舶啟停感應(yīng)模塊控制停船時大氣采樣器的自動關(guān)閉和船舶啟動后的自動開啟。大氣采樣器在控制器的控制下進行大氣采樣。

實施例2

如圖2所示。

如實施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，控制器為MSP430F149控制器(大氣采樣器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示)。

實施例3

如實施例2所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，MSP430F149控制器連接有HEADER-7X2POL Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路和復(fù)位電路(如圖2、圖5所示)。上述三個模塊功能上分別實現(xiàn)控制器程序的寫入和下載、為控制器提供時鐘信號和復(fù)位功能。

實施例4

如實施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，感雨模塊包括感雨板及與感雨板(感雨板為深圳市時代華信科技有限公司生產(chǎn)的型號為HL-83的感雨板)連接的LM392比較器(感雨模塊的電路圖如圖3b所示)，LM392比較器內(nèi)存儲有雨量閾值；船舶啟停感應(yīng)模塊包括GPS模塊，GPS模塊與控制器連接，控制器內(nèi)存儲有航速閾值。當降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，控制器輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。感雨模塊對降雨的感應(yīng)靈敏度可通過設(shè)定雨量閾值來實現(xiàn)，此功能一方面可根據(jù)需要設(shè)定大氣采樣器對不同降雨大小的響應(yīng)；另一方面可以甄別海上水汽在感雨板凝結(jié)引發(fā)的假信號，避免控制器因工作環(huán)境濕度大而非降雨錯誤打開繼電器。無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平信號。

航速閾值用于判定船舶的啟停。控制器實時采集GPS模塊的船舶航速并與設(shè)定的航速閾值進行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平，驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。當船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平信號。

控制器實現(xiàn)感雨模塊和GPS模塊輸出信號的邏輯控制，只有當二者的輸出信號同時為TTL高電平時控制器輸出TTL高電平，大氣采樣器正常開啟。

實施例5

如實施例4所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，所述大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括室內(nèi)PC終端及分別與控制器連接的聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊；控制器內(nèi)存儲有工作時長T。聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊功能上共同實現(xiàn)大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷和無線發(fā)送；大氣采樣器的工作狀態(tài)無線傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端進行遠程顯示。

實施例6

如圖3a所示。

如實施例5所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，聲傳感器模塊包括話筒及與話筒連接的LM393比較器；LM393比較器內(nèi)設(shè)置有噪音閾值。將大氣采樣器不工作時的背景噪聲設(shè)定為噪音閾值。話筒通過采集大氣采樣器周圍環(huán)境的噪音強度并與噪音閾值比較判斷大氣采樣器是否工作。噪音強度大于噪音閾值，表明大氣采樣器正常工作；噪音強度與閾值相當，則表明大氣采樣器停止工作。

實施例7

如圖5所示。

如實施例5所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接；ADM3202ARN芯片為高速、雙通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V單電源供電。ADM3202ARN芯片功能上實現(xiàn)控制器與GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊的串口連接。

實施例8

如圖6-7所示。

如實施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括設(shè)置有MAX738A芯片的+5V供電電路和設(shè)置有LM1117芯片的+3.3V供電電路。供電電路滿足電路系統(tǒng)中各部件工作電壓的需要。