0 引言

    海洋約覆蓋了地球表面積的71%，其中蘊藏豐富的生物資源和礦產(chǎn)資源，海洋微生物及其基因資源的開發(fā)將為新型生物制藥、綠色化工等生物工程技術(shù)的發(fā)展提供新的途徑與生物材料，具有重要科研價值和開發(fā)潛力^[1-5]。海洋微生物研究首先是要獲取大量微生物樣本，而傳統(tǒng)的取樣設備受取樣筒容積的限制，只能獲取較少數(shù)量樣本，且不能保證樣本的原位壓力，導致所采集的生物幼體成活率低，因此，研制能保持原位壓力的海洋微生物濃縮取樣器對微生物研究具有非常重要的意義^[6]。本文設計并研制了一種6 000 m級海洋微生物原位濃縮保壓采樣系統(tǒng)，通過單片機自動控制，可實現(xiàn)海洋微生物的原位、濃縮、保壓采樣。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    海洋微生物原位濃縮保壓采樣系統(tǒng)由耐壓密封艙、控制子系統(tǒng)和保壓采樣子系統(tǒng)組成?？刂谱酉到y(tǒng)包括主控模塊、壓力傳感器、繼電器、電機及磁力傳動裝置、電源模塊等，保壓采樣子系統(tǒng)包括取樣泵、雙活塞取樣筒、蓄能器、電磁閥組等部分，系統(tǒng)可實現(xiàn)海洋微生物的原位、濃縮、保壓采樣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    系統(tǒng)工作原理如圖2所示。該系統(tǒng)通過壓力傳感器完成海水壓力的監(jiān)測和信號轉(zhuǎn)換，主控模塊通過數(shù)據(jù)采集、信號處理和計算，得到系統(tǒng)下放深度，然后對這些參數(shù)進行判斷，達到設定取樣深度后，發(fā)送取樣指令驅(qū)動取樣泵裝置工作；借助取樣筒的過濾機構(gòu)實現(xiàn)深海生物的截留，實現(xiàn)濃縮采樣；通過取樣筒的自適應壓力平衡機構(gòu)，保證下放過程中，外部海水不會進入取樣筒，從而保證了樣品的原位特性，避免樣品被其他海水層的海洋生物污染；同時，利用蓄能器的保壓特性，保證樣品的原位壓力。

    為實現(xiàn)海洋微生物的原位取樣，保證取樣系統(tǒng)下放至指定深度前取樣筒內(nèi)不受污染，且取樣時不會出現(xiàn)壓力突變現(xiàn)象，本系統(tǒng)采用一個兩位兩通電磁閥（常閉）和兩位三通電磁換向閥^[7]（常閉）分別控制取樣器的兩端入口，取樣器在下放前，取樣筒中預先充滿純凈水，取樣原理如圖3所示。系統(tǒng)工作過程分為取樣前、下放、取樣、回收四個階段，具體過程如下：

    （1）取樣前：首先通過計算機向系統(tǒng)設置工作參數(shù)，包括采樣深度、采樣時間等，設置成功后，檢查密封，將取樣筒的腔內(nèi)及進出水管道中充滿純凈水，準備投放取樣。

    （2）下放：系統(tǒng)下放的過程中控制實時監(jiān)測所在位置深度，當外界海水壓力超過蓄能器的預充壓力時，蓄能器開啟并開始蓄能，保證壓力平衡同時取樣筒內(nèi)不會受到外界海水污染。

    （3）取樣：當滿足取樣條件時，單片機控制電機啟動，排凈深水泵裝置泵腔內(nèi)的海水，防止其他水層海水污染樣品。隨后，兩位兩通電磁閥和兩位三通電磁換向閥打開，取樣筒、蓄能器、外界海水三者聯(lián)通。隨著取樣泵的工作，海水被吸入取樣筒，經(jīng)過濾裝置，對樣品截留、濃縮。當工作時間達到預設值，深水泵和電磁閥關閉，完成取樣過程。

    （4）回收：在裝置回收過程中，電磁換向閥仍處于關閉狀態(tài)，樣品被密封在取樣筒內(nèi)與蓄能器所圍成的密閉空間之中。

    因此，要求設計的取樣控制系統(tǒng)必須具有以下功能：系統(tǒng)的工作參數(shù)可調(diào)、對周圍海水壓力實時監(jiān)測、電源管理、異常處理等，能夠?qū)崿F(xiàn)自主式取樣控制。同時，控制系統(tǒng)應具有高可靠性、低功耗等特點，其硬件的設計也應盡量小型化，以減小密封艙體的體積和重量。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

    本文設計的控制系統(tǒng)硬件主要包括：單片機主控模塊、電源模塊、電機及磁力傳動裝置、外部通信插座、壓力傳感器和其他輔助電路模塊等，如圖4所示。

2.1 單片機主控模塊

    本系統(tǒng)采用STC12C5620AD作為系統(tǒng)核心控制芯片，其集成高速A/D轉(zhuǎn)換器、UART串口、EEPROM、看門狗等模塊，具有低功耗、高可靠性、抗強干擾等優(yōu)點，適用于電機控制、強干擾的場合^[8-10]。

    由于STC12C5620AD內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，可直接實現(xiàn)壓力傳感器信號采集以及系統(tǒng)電源監(jiān)測，省去了外部A/D轉(zhuǎn)換電路，增加了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)功耗。

    單片機的I/O模塊輸出信號控制電機的運行狀態(tài)，并結(jié)合固態(tài)繼電器控制電磁閥的開關，實現(xiàn)整個取樣過程的自動控制。

    控制系統(tǒng)采用STC單片機自帶的EEPROM模塊實現(xiàn)工作參數(shù)的存儲，無需額外存儲芯片，簡化了電路設計，節(jié)省空間。

2.2 電源模塊

    電源模塊主要由蓄電池和電源轉(zhuǎn)換芯片組成。其中電機、電磁閥以及壓力傳感器采用蓄電池直接供電方式，供電電壓24 V。蓄電池輸出電壓通過電源芯片轉(zhuǎn)換為5 V，用于為單片機、串口芯片等供電。

2.3 電機及磁力傳動裝置

    為增強系統(tǒng)可靠性，降低成本，采用磁力傳動的方式實現(xiàn)可靠控制取樣泵^[11]。如圖5所示，電機密封于耐壓倉內(nèi)，電機轉(zhuǎn)軸帶動外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，外轉(zhuǎn)子上的磁鋼隨之轉(zhuǎn)動，形成旋轉(zhuǎn)磁場，在該磁場作用下，密封倉外面內(nèi)轉(zhuǎn)子上的磁鋼隨之轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)軸與取樣泵葉輪轉(zhuǎn)子之間非接觸傳動，實現(xiàn)了密封電機間接控制采樣的目的，避免了采用深水電機帶來的高成本，同時提高了系統(tǒng)的可靠性。

    磁傳動實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)軸與取樣泵葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸之間非接觸傳動，實現(xiàn)靜密封替代動密封，密封效果大大提高。通過磁力間隙——扭矩試驗得出磁力間隙與扭矩的對應關系曲線，選擇合適的電機和密封艙壁厚。

    試驗通過扭矩傳感器測量內(nèi)外轉(zhuǎn)子脫磁時的扭矩，調(diào)整內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的間隙，測量不同間隙下內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的扭矩值，從而得到磁力間隙——扭矩的對應關系曲線，如圖6所示。試驗結(jié)果表明：磁間隙為9 mm時，扭矩傳感器得的脫磁扭矩為0.1 N·m。本系統(tǒng)取樣泵葉輪啟動扭矩約為0.03 N·m，因此，采用磁傳動的方式能滿足系統(tǒng)要求。

2.4 外部通信接口

    控制系統(tǒng)主要位于高壓密封艙內(nèi)，在實際操作中蓄電池需要充電，單片機系統(tǒng)與上位機之間需要通信，此外，為減少蓄電池能源損耗，在系統(tǒng)下放入水前，蓄電池不應為控制系統(tǒng)供電。為避免頻繁開啟密封艙，在高壓密封艙安裝一個7芯水密插座，采用7芯水密插頭實現(xiàn)在不開啟密封艙的條件下完成從非工作模式到系統(tǒng)正常工作模式、蓄電池充電模式等模式的快速轉(zhuǎn)換，避免了不必要的拆卸工作。

    控制系統(tǒng)主要位于高壓密封艙內(nèi)，在密封艙底部安裝一個7芯水密插座，該插座內(nèi)側(cè)位于密封艙內(nèi)，內(nèi)側(cè)各個插芯分別連接各設備，如圖7所示，系統(tǒng)在非工作模式下，蓄電池與其他設備不構(gòu)成閉合回路（1、6插芯不短接），防止了不必要的電能損耗。

    系統(tǒng)正常工作模式下，蓄電池為控制系統(tǒng)供電，此時，將一個1、6插芯被短接的7芯插頭插到該7芯水密插座上，此時密封艙內(nèi)部形成完整回路，蓄電池為控制系統(tǒng)供電，系統(tǒng)正常取樣工作。

    在蓄電池充電模式下，將一個連接外部充電器的7芯插頭(僅使用5、6插芯)插到該7芯水密插座上，此時外部充電器僅與密封艙內(nèi)蓄電池連接，實現(xiàn)充電目的。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

    本文的軟件程序采用C語言進行設計，控制系統(tǒng)軟件部分主要完成命令的收發(fā)、參數(shù)存儲、工作狀態(tài)監(jiān)測以及取樣控制等功能。軟件設計主要包括以下幾個部分：程序初始化模塊、串口通信模塊、EEPROM讀寫模塊、A/D定時中斷數(shù)據(jù)處理模塊以及微生物取樣控制模塊等^[12]，控制系統(tǒng)軟件的主要工作流程如圖8所示。

    為保證系統(tǒng)在指定水深范圍內(nèi)進海洋微生物的濃縮取樣，壓力傳感器的測量數(shù)據(jù)準確性非常重要，因此，控制系統(tǒng)軟件中對壓力傳感器的測量值進行了軟件濾波處理，并對異常值進行判斷剔除，保證了取樣工作的正常進行。

4 系統(tǒng)樣機

    為測試海洋微生物濃縮取樣控制系統(tǒng)實際工作情況，研制了海洋微生物采樣系統(tǒng)樣機，如圖9所示，能夠?qū)崿F(xiàn)深海浮游生物的無污染、無壓力突變、濃縮保壓取樣，本系統(tǒng)隨考察船進行了海試試驗，在海試中，系統(tǒng)工作正常，取得了目標深度的海洋微生物濃縮樣本。

5 結(jié)論

    為實現(xiàn)對海洋微生物的自容式原位保壓濃縮取樣，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本文設計并實現(xiàn)了一個基于STC單片機的取樣控制系統(tǒng)，采用磁力傳動的方式解決電機可靠密封的問題，給出了系統(tǒng)無污染無壓力突變濃縮保壓采樣的工作方案，簡化了控制系統(tǒng)設計，最后形成樣機。經(jīng)實驗表明，本文設計的海洋微生物濃縮取樣控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期目標。

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作者信息:

李小峰1，李新娟1，高金龍1，溫京亞1，宋文杰1，劉巧君1，王  磊2

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院） 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001；

2.青島市職業(yè)教育公共實訓基地，山東 青島266112）