一種水文纜道測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

纜道測(cè)流是根據(jù)我國(guó)國(guó)情獨(dú)創(chuàng)的一種測(cè)流方式，特別適用于測(cè)流斷面容易變化的天然河床的斷面面積和平均流速的測(cè)量，是目前其它測(cè)流方法不可取代的。水文纜道測(cè)驗(yàn)本身，是一個(gè)復(fù)雜空間系的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如纜道彈跳、機(jī)械運(yùn)動(dòng)慣性，流速的變化等因素都影響流量測(cè)驗(yàn)的精度，而且是一個(gè)隨機(jī)變量，把這些主要變量建立成數(shù)學(xué)模型，編制相應(yīng)的程序，輸入微機(jī)，由微機(jī)自動(dòng)運(yùn)算調(diào)整，而得到正確的結(jié)果，這樣就會(huì)大大提高水文測(cè)驗(yàn)的精度，又能及時(shí)地提供成果資料。

　　經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，水文測(cè)流已形成以纜道測(cè)流為主，特別是纜道測(cè)流技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速，基本可形成標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的條件，如纜道架設(shè)已從多樣化發(fā)展到基本采用開(kāi)口游輪省力方式；水文絞車已從手搖、皮帶聯(lián)連到滑差調(diào)速電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)到與交流變頻調(diào)速配套使用的普通交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車；纜道信號(hào)從直流有線、交流有線、交流無(wú)線和無(wú)線電信號(hào)發(fā)展到纜道綜合信號(hào)的地回路傳輸方式；流速測(cè)算已從電鈴、音響記數(shù)和自記計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)和流速直接測(cè)算到直接整算流量成果報(bào)表；起點(diǎn)距和入水深測(cè)量已從繩結(jié)測(cè)量、繩長(zhǎng)計(jì)數(shù)測(cè)量到具有垂弧度自動(dòng)修正的實(shí)距測(cè)量；行車控制也由手動(dòng)、電動(dòng)、滑差調(diào)速到直流可控硅調(diào)速發(fā)展打今天的交流變頻調(diào)速；總的繞道測(cè)流系統(tǒng)也由手動(dòng)到半自動(dòng)發(fā)展到全自動(dòng)控制測(cè)流系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　采用AT89S8252單片機(jī)。由于河道測(cè)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量大且運(yùn)算比較復(fù)雜，而單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量有限。故增加外部存儲(chǔ)器RAM6116和ROM6264.外部信號(hào)的輸入采集接口是以多路A/D片ADC0809為核心，將纜道信號(hào)和水位信號(hào)送到單片機(jī)P1口和P3口承擔(dān)其他輸入、輸出信號(hào)的接口。下面根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)的特點(diǎn)，介紹主要的接口電路和工作過(guò)程。

　　1.1 ADC0809接口電路

　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809的主要特性：

　　1.它是具有8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　2.轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs.

　　3.模擬輸入電壓范圍為0V~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。

　　4.低功耗，約15mW.

　　他將電傳水位計(jì)的水位變化信號(hào)和纜道送來(lái)的流速、偏角、水面水底信號(hào)經(jīng)變換后傳送到單片機(jī)。該接口具有電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　1.1.1 水位信號(hào)的獲取

　　電傳水位計(jì)是用來(lái)監(jiān)測(cè)水位的變化，為了獲取水位信號(hào)對(duì)電傳水位計(jì)的傳感器部分進(jìn)行了改造。在傳感器內(nèi)部增加了干簧繼電器J3,J4,J5,取消內(nèi)部電池而直接由系統(tǒng)供電。電阻R5~R8組成分壓器，分壓器輸出到ADCIN2口電路如圖2所示。當(dāng)水位變化時(shí)浮子隨之升降，浮子升降3 cm,傳感器內(nèi)部的磁鋼旋轉(zhuǎn)一周，即每變化1 cm有一個(gè)干簧繼電器會(huì)通斷一次。J3,J4,J5分別吸合時(shí)IN2口的電壓分別為1.6 V,2.5 V,3.2 V左右，無(wú)繼電器吸合時(shí)IN2口電壓為+5 V.根據(jù)ADCIN2口的電壓數(shù)值可以判斷是哪個(gè)干簧繼電器通斷，由IN2端電壓變化規(guī)律可以知道水位的上升或下降如圖3所示，圖3中（a）為上升，（b）為下降。

　　1.1.2 水面水底信號(hào)的獲取

　　進(jìn)行垂線水深測(cè)量時(shí)，鉛魚(yú)運(yùn)行到河道斷面的指定垂線位置后開(kāi)始下降，一旦鉛魚(yú)接觸水面則啟動(dòng)水深計(jì)數(shù)器開(kāi)始水深計(jì)數(shù)，當(dāng)鉛魚(yú)繼續(xù)下降接觸水底時(shí)，水底開(kāi)關(guān)閉合停止計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)值即為本條垂線的水深初值。工作過(guò)程如下：在鉛魚(yú)下降過(guò)程中單片機(jī)不斷地讀取ADCIN1口電壓，鉛魚(yú)入水前繼電器J1,J2處于常閉位置，ADC0809輸入端IN1的電壓是由R3,R4分壓決定為2.5 V,一旦鉛魚(yú)接觸水面+5 V電壓通過(guò)水下極板→河水→鉛魚(yú)→副索1→ADC0809使IN1端電壓上升到3 V以上。單片機(jī)根據(jù)IN1口的電壓判斷鉛魚(yú)已接觸水面啟動(dòng)水深計(jì)數(shù)，同時(shí)令P3.4輸出高電平繼電器J1接通常開(kāi)觸點(diǎn)，由電路圖可知河水電阻與R4并聯(lián)使IN1口的電壓為1.5 V左右。當(dāng)鉛魚(yú)繼續(xù)下降直到接觸河底，河底開(kāi)關(guān)K2被壓通，鉛魚(yú)內(nèi)部4.5 V電池E1接入電路中ADCIN1口電壓下降到0 V以下，單片機(jī)判斷已達(dá)到河底停止水深計(jì)數(shù)并通過(guò)P1口輸出信號(hào)使水深電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

　　1.1.3 偏角信號(hào)的獲取

　　懸索纜道配有專門的偏角儀，用來(lái)修正水流導(dǎo)致鉛魚(yú)不能垂直下降到水底而產(chǎn)生的水深測(cè)量誤差。偏角儀可以測(cè)量出鉛魚(yú)受水流影響偏離正常位置的角度，再根據(jù)偏角的大小通過(guò)查表或公式計(jì)算來(lái)修正水深誤差。人工測(cè)量是用眼睛根據(jù)偏角儀的刻度估測(cè)偏角的大小，誤差較大。我們對(duì)偏角儀稍做改動(dòng)增加一個(gè)電位器W1和相應(yīng)的電路如圖1所示，通過(guò)機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置將偏角的位移轉(zhuǎn)換成電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變W1的阻值，利用副索2將因偏角變化導(dǎo)致的電壓變化送到ADCIN0口?？紤]到野外工作的特殊性，采用性能穩(wěn)定密封性好的線繞電位器，由于IN0口的電壓變化與偏角之間不是線性關(guān)系用軟件查表方式確定偏角值。為了減少機(jī)械位移、纜索電阻等因素的影響，實(shí)際操作時(shí)當(dāng)鉛魚(yú)未入水時(shí)測(cè)一次偏角作基準(zhǔn)，達(dá)到水面和水底時(shí)分別測(cè)一次水面偏角和水底偏角，經(jīng)修正后即得到較精確的偏角值。

　　1.1.4 流速信號(hào)的獲取

　　流速的測(cè)量是由流速儀完成，測(cè)量流速時(shí)繼電器J1,J2均接通常開(kāi)觸點(diǎn)-5 V電壓加于水下極板，K1為流速儀內(nèi)部開(kāi)關(guān)，流速儀每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈K1通斷一次。K1斷開(kāi)時(shí)ADCIN0口的電壓為1.5 V左右，K1接通后ADCIN0口的電壓變化大于0.5 V,只要監(jiān)測(cè)IN0口的電壓差就可以判斷流速儀的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。實(shí)際測(cè)量中IN0口的電壓差大小與測(cè)點(diǎn)垂線的距離和水質(zhì)有關(guān)，距離越大電壓差越小，在150 m的河道中流速信號(hào)的電壓差大于0.5 V.用ADC0809監(jiān)測(cè)流速信號(hào)，當(dāng)VREF=5V時(shí)分辨率為0.02 V足以區(qū)別流速儀的轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到某些不確定的干擾因素將電壓差的分辨率定在0.1 V,可以滿足一般中、小河道的測(cè)驗(yàn)要求。對(duì)于較寬的河道可以通過(guò)改進(jìn)電路或提高工作電壓的方法來(lái)增加電壓差。與PC機(jī)通信接口等部分組成的接口信息如：

　?。?）行程信號(hào)如水深、水平距離；

　　（2）水位信號(hào)；

　?。?）輸出控制信號(hào)用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，使鉛魚(yú)按要求運(yùn)動(dòng)做定點(diǎn)測(cè)量。

　　接口電路如圖1所示，電路充分利用ADC0809多路模數(shù)變換器將復(fù)雜的接口信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。同時(shí)還利用光電門將工作索行程（水深和水平距離的移動(dòng)）轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，送到ATMEL89單片機(jī)進(jìn)行處理、顯示、控制完成自動(dòng)測(cè)驗(yàn)。

　　1.2 行程信號(hào)的獲取接口電路

　　鉛魚(yú)的行程信號(hào)包括鉛魚(yú)水平往返移動(dòng)的行程信號(hào)，和鉛魚(yú)測(cè)量水深時(shí)垂直移動(dòng)的水深信號(hào)。位移信號(hào)的獲取如圖4所示。他是由加裝在機(jī)械傳動(dòng)裝置上的切光板和光電門獲得。設(shè)計(jì)為纜索每移動(dòng)1 cm切光板遮光一次，光電門產(chǎn)生一個(gè)脈沖。水深和往返信號(hào)分別從光敏二極管D3,D4上取出，經(jīng)過(guò)異或門后加到單片機(jī)P3.2外部中斷0輸入端，每移動(dòng)1 cm產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷服務(wù)程序可以區(qū)別鉛魚(yú)此時(shí)作水平往返移動(dòng)還是垂直移動(dòng)，兩者只取其一。

　　1.3 其他電路部分

　　P1口的輸入功能是從控制面板讀入操作命令和初始化數(shù)值，輸出功能是輸出控制信號(hào)。一是控制行程電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停機(jī)，使鉛魚(yú)按測(cè)驗(yàn)要求進(jìn)行垂直和水平運(yùn)動(dòng)；二是在水深測(cè)量過(guò)程中控制繼電器J1、J2的閉合與斷開(kāi)獲取水面水底信號(hào)。顯示打印電路部分用6個(gè)LED管顯示和微型打印機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單打印。用 P3.1串口與PC機(jī)相連可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存和進(jìn)一步處理，顯示和打印。

　　2 系統(tǒng)軟件流程圖

　　本系統(tǒng)的軟件約占7 kB,系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

　　程序分為系統(tǒng)管理、運(yùn)算處理、測(cè)驗(yàn)控制3大模塊。系統(tǒng)管理模塊包括：初始化、系統(tǒng)監(jiān)控、操作切換、緊急處理等程序。運(yùn)算處理模塊包括：數(shù)據(jù)運(yùn)算、誤差修正、顯示打印等程序。測(cè)驗(yàn)控制模塊是由包括：測(cè)垂線到起始點(diǎn)距離、測(cè)垂線水深、測(cè)垂線流速、測(cè)垂線水位、接口數(shù)據(jù)采集等諸多子程序組成。

　　為了盡量減少測(cè)量誤差保證測(cè)量精度嚴(yán)格符合水文規(guī)范要求，在測(cè)垂線水深子程序中采用了二次入水操作，程序流程如圖6所示。

　　實(shí)際水深測(cè)量中由于鉛魚(yú)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起纜索的起伏跳動(dòng)而造成測(cè)量誤差，我們?cè)诔绦蛑性O(shè)定的操作是：當(dāng)鉛魚(yú)入水后暫停在水面10 s不進(jìn)行水深計(jì)數(shù)，待其穩(wěn)定后升出水面20 cm,再第二次進(jìn)入水面。鉛魚(yú)第二次到達(dá)水面后啟動(dòng)水深計(jì)數(shù)暫停下降，測(cè)量水面偏角θA,鉛魚(yú)繼續(xù)下降直到河底停止水深計(jì)數(shù)，測(cè)量水底偏角θB.最后根據(jù)干繩長(zhǎng)度（纜索到水面的高度）、濕繩長(zhǎng)度（水深初值）、θA,θB計(jì)算出實(shí)際的該條垂線水深值。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　ATMEL89單片機(jī)水文纜道測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性，適合中、小河道的自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)驗(yàn)，操作方便性能穩(wěn)定，測(cè)驗(yàn)精度達(dá)到部頒《規(guī)范》要求，有效地減少了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作時(shí)間。