海洋光學(xué)浮標(biāo)光學(xué)窗口防污染裝置

前言
海洋光學(xué)浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)是發(fā)展我國(guó)立體、中遠(yuǎn)距離海洋監(jiān)測(cè)高技術(shù)的重要組成部分。而光學(xué)傳感器則是海洋光學(xué)浮標(biāo)的一個(gè)重要組成部分。由于光學(xué)浮標(biāo)一般要被放置在海水中幾天到幾十天進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，所以其輻射傳感器的光學(xué)窗口長(zhǎng)時(shí)間暴露在海水中就很容易受到水中的生物、有機(jī)物(如油類)和無機(jī)物(如泥沙)的污染。而光輻射測(cè)量對(duì)這種污染十分敏感，窗口受污染后測(cè)量誤差無法估計(jì)，甚至無法進(jìn)行測(cè)量。因此，必須尋求一種穩(wěn)定、可靠的窗口防污染裝置，有效的防止因光學(xué)傳感器窗口的污染而造成的測(cè)量誤差。

總體設(shè)計(jì)思想
采用保護(hù)蓋與清洗刷相結(jié)合的工作原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)儀器窗口防污、除污。清洗刷的基本原理與汽車前玻璃清洗刷相似。裝置如圖1所示。
保護(hù)蓋由銅做成，和光學(xué)窗口之間的間隙為0.5~1mm，在保護(hù)蓋的一側(cè)裝一柔軟橡膠做成的清洗刷。需要采樣時(shí)，保護(hù)蓋攜帶清潔刷轉(zhuǎn)動(dòng)(2N＋1)×180°后停止(N為保護(hù)蓋轉(zhuǎn)過光學(xué)窗口的次數(shù))，并從光學(xué)窗口上方移開。采樣結(jié)束后將保護(hù)蓋旋轉(zhuǎn)180°重新遮住光學(xué)窗口，由于保護(hù)蓋與光學(xué)窗口之間間隙極小，從而使光學(xué)窗口基本處于無光照狀態(tài)；又由于保護(hù)蓋由銅做成，而銅又有抑制生物胚胎和幼芽生長(zhǎng)的作用，這樣就可以破壞海水中大多數(shù)生物生長(zhǎng)所需的光照條件和生存環(huán)境，在一定程度上防止了光學(xué)窗口被污染。但是，還有少數(shù)生物，可以在微光、無光、外界生存環(huán)境惡劣的條件下生長(zhǎng)，從而污染了光學(xué)窗口，為此，在每次將保護(hù)蓋從光學(xué)窗口上方移開的過程中，讓保護(hù)蓋攜帶橡皮刷緊貼光學(xué)窗口表面均勻的清掃光學(xué)窗口N次(N同前)，這樣即使在不采樣時(shí)有少量污染物附著在光學(xué)窗口上面，也可以通過此方法清潔干凈，從而雙重保護(hù)光學(xué)窗口的清潔。該裝置完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖1  光學(xué)窗口防污染裝置

圖2  窗口防污染裝置控制硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3  防污染裝置系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)硬件組成
整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)的硬件電路主要由光學(xué)窗口防污染模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊控制模塊、時(shí)鐘及CPU控制模塊等組成。CPU是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，通過其內(nèi)部的軟件來控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；時(shí)鐘控制的主要目的是用來設(shè)置精確的窗口清潔及浮標(biāo)采樣時(shí)間，同時(shí)，通過配合電源控制模塊控制整個(gè)系統(tǒng)供電電源的工作過程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是將采集到的光學(xué)參數(shù)隨時(shí)保存起來不被丟失；通信控制則用來選擇與該CPU通信的對(duì)象：當(dāng)我們需要采集海洋光學(xué)參數(shù)時(shí)，選擇與浮標(biāo)內(nèi)部的采樣模塊通信；當(dāng)整個(gè)海上實(shí)驗(yàn)結(jié)束后或需要將存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)取出時(shí)，選擇與PC機(jī)通信，這樣就可以將采樣所得的數(shù)據(jù)讀入PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。
在本設(shè)計(jì)中選用了一片89C51作為系統(tǒng)CPU，一片PCF8563實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘控制。PCF8563基于兩線制I2C總線通訊方式，可以使外圍電路很簡(jiǎn)潔；同時(shí)，它還具有很低的工作電流：典型值為0.25mA(VDD=3.0V，Tamb=25℃)，非常適于長(zhǎng)期的海上工作。通過PCF8563的報(bào)警中斷(分鐘、小時(shí)、日期、星期四種報(bào)警中斷方式)來設(shè)置精確的窗口清潔及采樣時(shí)間，并通過時(shí)鐘芯片報(bào)警中斷輸出端電平控制外部DC/DC電路的工作，進(jìn)而控制系統(tǒng)電源的供電時(shí)間。
在此有必要說明保護(hù)蓋的工作原理及過程。在如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)蓋轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置是一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，固定在支撐臂上的保護(hù)蓋跟隨馬達(dá)轉(zhuǎn)軸成逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)定位傳感器的核心任務(wù)是探測(cè)保護(hù)蓋當(dāng)前所處的位置，并根據(jù)實(shí)際需要將保護(hù)蓋準(zhǔn)確定位。用來控制該防污裝置的軟件是用匯編語言編寫的一個(gè)子程序，當(dāng)需要該防污、除污裝置工作時(shí)，調(diào)用該子程序。子程序使用一組輸入/輸出通道和兩個(gè)輸入狀態(tài)位與光學(xué)窗口防污裝置中的定位傳感器及其控制電路進(jìn)行通信，從而控制馬達(dá)的停止/啟動(dòng)以及保護(hù)蓋當(dāng)前所處的位置和轉(zhuǎn)過的角度。
采樣結(jié)束后，CPU通過查表(預(yù)先在CPU內(nèi)部存入采樣時(shí)間表)比較，找出下一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間，并通過I2C總線將時(shí)間寫入PCF8563的報(bào)警寄存器，同時(shí)通過軟件設(shè)置關(guān)閉PCF8563的當(dāng)前報(bào)警中斷，終止由PCF8563報(bào)警中斷輸出端控制DC/DC電路的工作，停止對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電?；赑DF8563的低功耗的特點(diǎn)，在儀器工作過程中，采用一VL2330電池(標(biāo)準(zhǔn)輸出為3V)為其不間斷的供電。
在本設(shè)計(jì)中，選用一片74244完成通信選擇控制，通過CPU的P1.2、P1.3控制通信對(duì)象當(dāng)P1.2為低電平，P1.3為高電平時(shí)，選擇PC機(jī)作為通信對(duì)象；當(dāng)P1.2為高電平，P1.3為低電平時(shí)，選擇浮標(biāo)內(nèi)部的采樣電路作為通信對(duì)象；當(dāng)不需要通信時(shí)，將P1.2、P1.3均置為高電平，以防數(shù)據(jù)的誤傳輸。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件由主函數(shù)及其調(diào)用的子函數(shù)組成。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1、光學(xué)窗口防污染控制及對(duì)光學(xué)參量的采樣和存儲(chǔ)；2、與PC機(jī)通信傳輸數(shù)據(jù)。主程序流程如圖3所示。其中，INT1、INT0分別為兩個(gè)定位傳感器的狀態(tài)標(biāo)志位；N為保護(hù)蓋轉(zhuǎn)過光學(xué)窗口的次數(shù)；P1.4控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)；P1.5用來選擇89C51的通信對(duì)象。

結(jié)語
本文給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，并在此基礎(chǔ)上給出了主要的控制硬件電路工作的軟件流程。該裝置有很好的防污、除污效果。由于該裝置體積小，功耗低、安裝方便、全自動(dòng)化操作，只要稍作改動(dòng)，同樣可以用于其它工作于水下易受污染儀器的防污。