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摘要研究潮汐现象对沿海植物生长的影响是海洋生态学的重要研究课题，设计一套在实验室环境中可自动模拟潮汐现象的系统是这种研究的基础需求。针对这一需求开发了模拟潮汐系统，提出了一种上下双水箱模拟潮汐设计方案。介绍了该系统的功能结构、硬件组成及与软件设计。目前，该模拟潮汐系统已在华东师范大学河口海岸国家重点实验室的相关研究实验中投入使用，运行效果良好。
关键词潮汐现象；模拟潮汐系统；STC15F单片机；双水箱
中图分类号S22文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）26-0176-03
Design and Realization of the Unattended Tidal Simulation System
WU Junhui1，ZHENG Yong2，HUANG Rongrong2，CHEN Jie1* et al
（1.National Engineering Research Center of Protected Agriculture，Tongji University，Shanghai Engineering Research Center of Protected Agriculture，Shanghai 200092；2.Tongji University，Shanghai 201804）
AbstractStudying the effects of tidal phenomena on coastal plant growth is an important subject in marine ecology，design of a system that simulates tidal phenomena automatically in laboratory is the basis for the study.a simulated tidal system was developed for this requirement，and a design scheme of upper and lower water tanks is proposed.The functional structure，hardware composition and software design of the system were introduced.At present，the system has been put into operation in the relevant research experiment of the State Key Laboratory of Estuarine Coast of East China Normal University，and the operation effect is good.
Key wordsTidal phenomena；Simulation tidal system；STC15F MCU；Double water tank
海洋生态研究起源于18世纪初的欧洲，是生态学研究的重要组成部分。然而，在实验室条件模拟海洋生态环境实现海洋生态学在实验室中的研究一直以来都是较为棘手的问题。该系统从海洋生态学在实验室的研究需求出发，设计了一种在实验室环境实时模拟潮汐现象的实验装置。该实验装置分为自动和手动2种操作模式，提高了实验效率、减少了实验人员的劳动强度。
海洋生态学实验的基本实验原料是海水，由于对海水的需求量较大，一般在实验室采取的方案是按一定的配比将自
来水
和各类无机盐配成近似于海水的实验用水。该试验装置采用了全自动水循环的上下两水箱设计，上水箱为实验水箱，下水箱为储水水箱，这一设计有效节约了实验用水，同时降低了实验人员的劳动量[1-5]。
1系统原理
模拟潮汐系统的实验水箱设定了5档液位。通过对实验水箱进行排水和上水操作模拟落潮与涨潮。当前液位A和目标液位B差对应的实验水箱执行结构动作见表1。
水箱结构示意图如图1所示。实验水箱与储水水箱的实验水箱与储水水箱之间通过管道A和管道B连接：管道A由电磁阀1将实验水箱的水注入到儲水水箱中。管道B通过水泵1将储水水箱中的水抽到实验水箱中。实验水箱顶部管道C通过电磁阀2获取外界水源。储水水箱底部管道D通过电磁阀3向外界排水。
如图1所示，实验水箱的侧壁安装了5个侧位浮球开关，用于表征海水涨落潮的5种水位。储水水箱的底部和顶部装了2个侧位浮球开关，用来指示液位L和液位H，当液位到达液位L时代表储水水箱已空，到达液位H时代表储水水箱已满。
实验水箱模拟落潮时，需要进行排水动作，打开电磁阀1将实验水箱中的水注入到储水水箱中。如果储水水箱已满则通过电磁阀3向外界排水。实验水箱模拟涨潮时，需要进行上水动作，打开水泵1将储水水箱中的水抽入到实验水箱中。如果储水水箱已空，则通过电磁阀2从外界注水到实验水箱中。
3系统设计
如图2所示，控制系统硬件采用模块化设计方案，STC15F2K60S2型单片机为主控模块，电源模块、输入模块、存储模块、触摸屏模块和输出模块为主要功能模块。系统分为自动和手动2种模式：自动模式允许实验人员按照北京时间设置定时和目标液位，系统根据设定时间完成机构动作达到目标液位；手动模式允许实验人员根据实际需求手动调整来达到目标液位[8-10]。
3.1主功能模块结构
水泵供电；直流24 V为电磁阀供电；直流12 V为电路板、触摸屏与侧位浮球开关供电。其中，由开关电源提供的12 V直流电压，即VIN，经过L7805CV稳压芯片获得5 V电压VCC为STC单片机供电；同时VCC经过稳压器SP1117转换成3.3 V，即VC33，经过瓷片电容滤波获得3.3 V稳压，为存储芯片AT45供电。 系统的输入信号是7个侧位浮球开关提供的开关量。当液位上升到某侧位浮球开关处时，此开关接通，对应的开关量信号经过光隔离器PC817后输入到单片机中，隔离后的信号经过单项驱动器74HC244放大后接入单片机。
输出信号由经反相器74HC04变成高电平，由非门电路ULN2003驱动后，获得低电平接入继电器ATX203，达到通过控制继电器来控制水泵和电磁阀的目的。
存储模块AT45D081用于存储系统运行参数、实验人员设定的时间和目标液位参数等，并定时记录系统运行状态信息和执行机构运行信息。
3.2触摸屏模块结构
触摸屏是系统与实验人员的交互界面。该系统采用5英寸的DGUS工业应用屏，并且采用直接变量驱动的显示方式。触摸屏的显示和触摸操作基于预先设置好的变量配置文件来完成。单片机与触摸屏之间采用RS-232串行通信，通过 MAX232芯片实现TTL电平到RS-232电平的转换[11]。图4为触摸屏模块通讯硬件原理图。
3.3软件设计
系统工作流程如图5所示，主控板定时询问触摸屏的界面号，判断触摸屏处于自动控制界面、手动控制界面还是密码修改界面，从而进行相应的处理。
系统上电后进入密码登录界面，正确输入密码后进入主界面，否则停留在登录界面。进入主界面后可查看当前液位和时间，同时可以选择进入某一功能界面（自动控制界面、手动控制界面和密码修改界面）。自动控制界面显示当前实验人员已设置的时间和目标液位（所有设置可添加或删除），手动控制界面允许实验人员根据实际需求调整液位，密码修改界面密码修改成功后返回主界面。
4系统应用
涨潮落潮是海洋受月球引力影响的自然现象，每天有2次潮水的涨落。从涨潮开始到退潮结束大概要经过6 h：涨潮、平潮和退潮各2 h[12]。该系统已在华东师范大学海岸河口国家重点实验室投入运行，对系统由液位1到液位5和由液位5到液位12种情况所用的时间进行多次统计并取平均值，与实际涨落潮用时情况对比得到表2。
由表2可知，水泵选择中档档位时，系统模拟涨潮效果最佳。涨潮、平潮和落潮的模拟时间与实际时间的相对误差分别为-4.5%、0和-11%。
5结语
该系统有效地模拟了海洋的潮汐现象，为海洋生态学的实验室研究提供了实验基础。目前，系统已经应用于华东师
范大学的海岸河口国家重点实验室。通过一年多的使用表明，该系统稳定可靠、操作简单、控制精度高，可以满足海洋生态学的实验要求。另外，当系统处于自动模式时，会根据
设置的时间独立完成涨潮落潮的模拟实验，有效地提高了海洋生态学实验的自动化程度。
该系统目前处于初始研究阶段，后期有很多研究需要开展：如实现计算机网络系统与该系统的连接；实现实验人员对系统操作情况的留痕记录；实现在PC端或移动端查看系统运行的实时情况以及对系统的运行模式设置和操作等[13-15]。
参考文献
[1]
吴龙华，郝青芳，李凌.潮汐模拟及其自动测控系统的设计与实现[J].实验室研究与探索，2008，27（5）：20-22.
[2] 吴新生，林木松，廖小永，等.深圳河口潮汐模型变频生潮与量测控制系统[J].长江科学院院报，2010，27（4）：5-9.
[3] 吴昌林，沈敏，林木松，等.应用变频调速的潮汐模拟系统[J].现代制造工程，2006（8）：85-88.
[4] 沈敏.河口潮汐模拟系统的设计与研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
[5] 沈敏.基于串行通信的潮汐模拟自动控制系统[J].机械与电子，2008（5）：43-46.
[6] 李木国，鲁桂荣，康海贵，等.潮汐模拟系统的研制[J].大连理工大学学报，1992（1）：101-106.
[7] 王静，郭美宜，李木国.潮汐模拟系统的研制[J].中国海洋平台，2001，16（2）：11-14.
[8] 張小飞，丁建强，徐大诚.基于PAC模块的潮汐模拟控制系统[J].现代电子技术，2008，31（11）：113-116.
[9] 李春芳，徐大诚，丁建强，等.双向流水槽模拟潮汐的控制软件设计与实现[J].计算机应用与软件，2011，28（3）：47-49.
[10] 戚磊，陈赵，韩喆，等.一种潮汐模拟测控装置及测控方法设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2015（6）：48-51.
[11] 陈桂友.单片微型计算机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2012：85-88.
[12] 张贝宁.潮汐的产生及形成特点分析[J].科学家，2016，4（3）：40-41.
[13] 吴军辉，黄荣蓉，陈杰，等.潮汐式苗床灌溉系统的设计与实现[J].电子科技，2016，29（11）：54-58.
[14] 李珏，何启莲，李伊明，等.基于TCP/IP网络结构的潮汐模拟测控系统[C]//中国水利学会.第十二届全国水利量测技术综合学术讨论会.北京：中国水利深支，2008.
[15] 付传清，金贤玉，金南国.人工环境中模拟海洋潮汐作用的试验装置[J].实验室研究与探索，2014，33（4）：54-57.
关键词潮汐现象；模拟潮汐系统；STC15F单片机；双水箱
中图分类号S22文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）26-0176-03
Design and Realization of the Unattended Tidal Simulation System
WU Junhui1，ZHENG Yong2，HUANG Rongrong2，CHEN Jie1* et al
（1.National Engineering Research Center of Protected Agriculture，Tongji University，Shanghai Engineering Research Center of Protected Agriculture，Shanghai 200092；2.Tongji University，Shanghai 201804）
AbstractStudying the effects of tidal phenomena on coastal plant growth is an important subject in marine ecology，design of a system that simulates tidal phenomena automatically in laboratory is the basis for the study.a simulated tidal system was developed for this requirement，and a design scheme of upper and lower water tanks is proposed.The functional structure，hardware composition and software design of the system were introduced.At present，the system has been put into operation in the relevant research experiment of the State Key Laboratory of Estuarine Coast of East China Normal University，and the operation effect is good.
Key wordsTidal phenomena；Simulation tidal system；STC15F MCU；Double water tank
海洋生态研究起源于18世纪初的欧洲，是生态学研究的重要组成部分。然而，在实验室条件模拟海洋生态环境实现海洋生态学在实验室中的研究一直以来都是较为棘手的问题。该系统从海洋生态学在实验室的研究需求出发，设计了一种在实验室环境实时模拟潮汐现象的实验装置。该实验装置分为自动和手动2种操作模式，提高了实验效率、减少了实验人员的劳动强度。
海洋生态学实验的基本实验原料是海水，由于对海水的需求量较大，一般在实验室采取的方案是按一定的配比将自
来水
和各类无机盐配成近似于海水的实验用水。该试验装置采用了全自动水循环的上下两水箱设计，上水箱为实验水箱，下水箱为储水水箱，这一设计有效节约了实验用水，同时降低了实验人员的劳动量[1-5]。
1系统原理
模拟潮汐系统的实验水箱设定了5档液位。通过对实验水箱进行排水和上水操作模拟落潮与涨潮。当前液位A和目标液位B差对应的实验水箱执行结构动作见表1。
水箱结构示意图如图1所示。实验水箱与储水水箱的实验水箱与储水水箱之间通过管道A和管道B连接：管道A由电磁阀1将实验水箱的水注入到儲水水箱中。管道B通过水泵1将储水水箱中的水抽到实验水箱中。实验水箱顶部管道C通过电磁阀2获取外界水源。储水水箱底部管道D通过电磁阀3向外界排水。
如图1所示，实验水箱的侧壁安装了5个侧位浮球开关，用于表征海水涨落潮的5种水位。储水水箱的底部和顶部装了2个侧位浮球开关，用来指示液位L和液位H，当液位到达液位L时代表储水水箱已空，到达液位H时代表储水水箱已满。
实验水箱模拟落潮时，需要进行排水动作，打开电磁阀1将实验水箱中的水注入到储水水箱中。如果储水水箱已满则通过电磁阀3向外界排水。实验水箱模拟涨潮时，需要进行上水动作，打开水泵1将储水水箱中的水抽入到实验水箱中。如果储水水箱已空，则通过电磁阀2从外界注水到实验水箱中。
3系统设计
如图2所示，控制系统硬件采用模块化设计方案，STC15F2K60S2型单片机为主控模块，电源模块、输入模块、存储模块、触摸屏模块和输出模块为主要功能模块。系统分为自动和手动2种模式：自动模式允许实验人员按照北京时间设置定时和目标液位，系统根据设定时间完成机构动作达到目标液位；手动模式允许实验人员根据实际需求手动调整来达到目标液位[8-10]。
3.1主功能模块结构
水泵供电；直流24 V为电磁阀供电；直流12 V为电路板、触摸屏与侧位浮球开关供电。其中，由开关电源提供的12 V直流电压，即VIN，经过L7805CV稳压芯片获得5 V电压VCC为STC单片机供电；同时VCC经过稳压器SP1117转换成3.3 V，即VC33，经过瓷片电容滤波获得3.3 V稳压，为存储芯片AT45供电。 系统的输入信号是7个侧位浮球开关提供的开关量。当液位上升到某侧位浮球开关处时，此开关接通，对应的开关量信号经过光隔离器PC817后输入到单片机中，隔离后的信号经过单项驱动器74HC244放大后接入单片机。
输出信号由经反相器74HC04变成高电平，由非门电路ULN2003驱动后，获得低电平接入继电器ATX203，达到通过控制继电器来控制水泵和电磁阀的目的。
存储模块AT45D081用于存储系统运行参数、实验人员设定的时间和目标液位参数等，并定时记录系统运行状态信息和执行机构运行信息。
3.2触摸屏模块结构
触摸屏是系统与实验人员的交互界面。该系统采用5英寸的DGUS工业应用屏，并且采用直接变量驱动的显示方式。触摸屏的显示和触摸操作基于预先设置好的变量配置文件来完成。单片机与触摸屏之间采用RS-232串行通信，通过 MAX232芯片实现TTL电平到RS-232电平的转换[11]。图4为触摸屏模块通讯硬件原理图。
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4系统应用
涨潮落潮是海洋受月球引力影响的自然现象，每天有2次潮水的涨落。从涨潮开始到退潮结束大概要经过6 h：涨潮、平潮和退潮各2 h[12]。该系统已在华东师范大学海岸河口国家重点实验室投入运行，对系统由液位1到液位5和由液位5到液位12种情况所用的时间进行多次统计并取平均值，与实际涨落潮用时情况对比得到表2。
由表2可知，水泵选择中档档位时，系统模拟涨潮效果最佳。涨潮、平潮和落潮的模拟时间与实际时间的相对误差分别为-4.5%、0和-11%。
5结语
该系统有效地模拟了海洋的潮汐现象，为海洋生态学的实验室研究提供了实验基础。目前，系统已经应用于华东师
范大学的海岸河口国家重点实验室。通过一年多的使用表明，该系统稳定可靠、操作简单、控制精度高，可以满足海洋生态学的实验要求。另外，当系统处于自动模式时，会根据
设置的时间独立完成涨潮落潮的模拟实验，有效地提高了海洋生态学实验的自动化程度。
该系统目前处于初始研究阶段，后期有很多研究需要开展：如实现计算机网络系统与该系统的连接；实现实验人员对系统操作情况的留痕记录；实现在PC端或移动端查看系统运行的实时情况以及对系统的运行模式设置和操作等[13-15]。
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[10] 戚磊，陈赵，韩喆，等.一种潮汐模拟测控装置及测控方法设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2015（6）：48-51.
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[15] 付传清，金贤玉，金南国.人工环境中模拟海洋潮汐作用的试验装置[J].实验室研究与探索，2014，33（4）：54-57.