水下密封舱漏水检测系统设计与实现

  水下密封舱漏水检测系统设计与实现  王志光刘纯虎潘昊东Summary：为了检测水下密封舱漏水状况，设计了一种水下密封舱漏水检测系统。此系统通过漏水检测传感器对水下密封舱的漏水信号进行采集，采集到的信号经调理电路处理后送入STM32F103单片机的A/D转换端口，由单片机进行处理，并实时得出水下密封舱的漏水状态信息。然后将该漏水状态信息通过RS485串口上传到上位机进行显示。经过大量测试，该系统性能稳定，检测结果准确、可靠，具有良好的实用价值。Key：水下密封舱；漏水检测；STM32F103单片机；上位机：TP23：A：1009-3044（2019）11-0272-02Abstract：Inordertodetecttheleakageofunderwatersealedcabin，awaterleakagedetectionsystemforunderwatersealedcabinwasdesigned.Thissystemcollectstheleakagesignaloftheunderwatersealedcabinbytheleakdetectionsensor.ThecollectedsignalisprocessedbytheconditioningcircuitandsenttotheA/DconversionportofSTM32F103single-chipcomputer.Itisprocessedbythesingle-chipcomputer，andtheleakstatusinformationoftheunderwatersealedcabinisobtainedinrealtime.Then，theleakagestatusinformationisuploadedtothehostcomputerthroughRS485serialportfordisplay.Afteralotoftests，thesystemhasstableperformance，accurateandreliabletestresults，andhasgoodpracticalvalue.Keywords：underwatersealedcabin；leakagedetection；STM32F103singlechipcomputer；uppercomputer1引言水下机器人在海洋探查及资源开发利用、海洋观测、海洋旅游、水下打捞、水下考古和渔业等方面有着广泛的应用[1-2]。水下密封舱作为水下机器人的重要组成部分，它通常作为水下机器人的控制舱，因此对水下密封舱漏水状况进行实时检测，对保障水下机器人的安全就显得十分重要。目前国内外学者就水下机器人的漏水检测系统、船舶舱室漏水报警系统和新型漏水检测仪等方面进行了初步研究[3-5]。本文设计并实现了水下密封舱的漏水检测系统，该系统结构简单、性能稳定、易于安装，检测结果准确、可靠，适用于水下密封舱内部的各部位漏水检测，具有较大实用价值。2系统总体结构水下密封舱漏水检测系统的总体结构框图如图1所示。系统主要由漏水检测传感器、信号调理电路、STM32F103单片机和PC上位机软件四部分组成。漏水检测传感器将检测到的信号，送入信号调理电路，信号调理电路将漏水传感器送入的信号调理成相应的电压信号，然后再送入STM32F103单片机的A/D转换端口，由单片机进行处理，并实时得出水下密封舱的漏水状态信息。最后将该漏水状态信息通过RS485串口上传到PC上位機软件进行显示。3系统硬件设计3.1信号调理电路如图2所示为水下密封舱漏水检测系统的信号调理电路。本系统采用的漏水检测传感器为电极式水浸传感器，电极式水浸传感器具有结构简单、易于安装、价格低廉等优点。使用时令电极式水浸传感器固定在水下密封舱内部（通常为底部），并将其两端分别接入信号调理电路。当漏水检测传感器电极浸水时阻值发生改变，经信号调理电路调理输出1.6伏左右的高电压，而当漏水检测传感器电极未浸水时，信号调理则输出0伏左右的低电压。最后将信号调理电路输出的电压信号接到单片机A/D转换端口，由单片机进行采集与处理。3.2系统硬件实物图水下密封舱漏水检测系统使用以Cortex-M3为内核的STM32F103作为电路的主控芯片[6]。其主频72Mz，自带64KBRAM存储器，2个12位A/D转换器，同时支持UART、I2C、SPI等多种外设接口，可以满足水下密封舱漏水检测系统功能设计的需求。如图3所示为水下密封舱漏水检测系统硬件实物图。水下密封舱漏水检测系统与PC上位机采用RS485串口进行通信，RS485串口的通讯距离大，抗干扰能力强，并且还具有组网功能[7]。使用RS485串口可以满足水下密封舱漏水检测系统的测试需求，此外还有较强的可扩展能力。4系统软件设计4.1单片机软件设计水下密封舱漏水检测系统STM32F103单片机中的程序流程，如图4所示。水下密封舱漏水检测系统STM32F103单片机中的程序流程大体可分为以下四个阶段：1）首先将STM32F103单片机进行初始化。2）单片机进行A/D采集，将接收到的电压信号量转换成数字量。3）对上述数字量信息进行分析处理，取10次数字量进行平均，将所得10次数字量的平均值与对应水下密封舱漏水电压阈值进行比较。其超过对应水下密封舱漏水电压阈值则判断水下密封舱漏水，否则判断水下密封舱未漏水。4）通过RS485串口，将处理后的水下密封舱漏水状态信息上传到PC上位机进行显示。4.2上位机软件设计水下密封舱漏水检测系统的上位机软件基于VisualC++2010开发，使用VisualC++2010可以高效地进行Windows应用程序开发，其具有强大的界面设计功能[8]。如图5所示为水下密封舱漏水检测系统上位机软件的界面。上位机软件采用MSComm控件来高效地实现其串行通信功能。水下密封舱漏水检测系统的STM32F103单片机通过串口不断将检测到的水下密封舱漏水状态信息传送给上位机软件，当检测到水下密封舱漏水时，漏水状态指示灯变暗；当未检测到水下密封舱漏水时漏水状态指示灯变亮。使用漏水状态指示灯可以更为形象直观的反应水下密封舱漏水状态，方便用户使用。5结论本文提出的水下密封艙漏水检测系统经过大量测试，其性能稳定，检测结果准确、可靠。其不仅可以应用于常见水下机器人（AUV、ROV和水下滑翔机等）的密封舱漏水检测，还可应用于波浪浮标及其他水下设备密封舱的漏水检测，具有理想的应用前景。Reference：[1]连琏，马厦飞，陶军.“海马”号4500米级ROV系统研发历程[J].船舶与海洋工程，2015（1）：9-12.[2]王松，王田苗，梁建宏，等.机器鱼辅助水下考古实验研究[J].机器人，2005，27（2）.[3]徐国华，童剑，段国强，等.水下机器人漏水检测系统研究[C]//船舶与海洋工程学术研讨会.2004.[4]宋海燕，陈继涛，秦富贞.基于单片机的船舶舱室漏水报警系统设计[J].山东工业技术，2017（22）：30.[5]王雷，章艺.新型漏水检测仪的研制[J].电子质量，2001，19（11）：22-23.[6]JosephYiu，姚文详，宋岩.ARMCortex-M3权威指南[M].北京航空航天大学出版社，2009.[7]刘纯虎.深海作业型ROV分布式协调及容错控制策略研究[D].上海交通大学，2016.[8]唐原广，王志光.船舶运动姿态测量系统设计与实现[J].舰船科学技术，2017，39（13）：108-111.【通联编辑：梁书】 -全文完-