用AT89單片機構建的水文纜道測驗系統

　　摘　要：介紹了一種基于A(yíng)TMEL89單片機的水文纜道測驗系統，本系統保留原有的人工纜道設備的結構和資源條件，實(shí)現流量測驗、水位監測、流量計算自動(dòng)化，還能與PC機串行通信打印結果。

　　關(guān)鍵詞：單片機；水文纜道；控制；自動(dòng)測驗

　　早期的中小河道水文測驗一般是采用人工操作的水文纜道測驗系統，操作時(shí)間長(cháng)、勞動(dòng)強度大、主觀(guān)誤差大。為此我們對原有的人工測驗系統進(jìn)行了改造，采用單片機控制替代人工進(jìn)行自動(dòng)水文測驗。本文介紹了基于A(yíng)TMEL89單片機的水文纜道自動(dòng)測驗系統，系統的設計是構建在原有設施基礎上，而且盡量不改變系統結構并能兼容手動(dòng)操作方法，自動(dòng)地完成流量的測驗計算和打印，適用于中小河道的懸索和懸桿兩種類(lèi)型的水文纜道。

　　根據水利部頒發(fā)的《水文纜道測驗規范》及人工控制水文纜道的結構和測驗要求，單片機控制系統的主要功能有：自動(dòng)進(jìn)行河道斷面的面積、平均流速、流量測驗和計算打??；河道斷面任一垂線(xiàn)上水深、水面偏角、河底偏角、垂線(xiàn)平均流速的自動(dòng)測驗；干繩、濕繩和位移修正；測驗期間水位自動(dòng)監測等。系統的硬件以單片機為核心以及輸入／輸出接口，存儲器系統和打印顯示電路等部分組成；軟件部分由系統控制、數據采集存儲、誤差修正、流量計算4個(gè)主要軟件模塊組成。

　　下面介紹本系統的原理和設計要點(diǎn)。

1　系統構成

    系統框圖如圖1所示。

　　采用AT89S8252單片機。由于河道測驗的數據量大且運算比較復雜，而單片機內部的存儲器容量有限。故增加外部存儲器RAM6116和ROM6264。外部信號的輸入采集接口是以多路A／D片ADC0809為核心，將纜道信號和水位信號送到單片機P1口和P3口承擔其他輸入、輸出信號的接口。下面根據水文測驗的特點(diǎn)，介紹主要的接口電路和工作過(guò)程。

1．1　ADC0809接口電路

    以ADC0809為中心的接口電路如圖2所示。

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

1．1．1　水位信號的獲取

　　電傳水位計是用來(lái)監測水位的變化，為了獲取水位信號對電傳水位計的傳感器部分進(jìn)行了改造。在傳感器內部增加了干簧繼電器J3，J4，J5，取消內部電池而直接由系統供電。電阻R₅～R₈組成分壓器，分壓器輸出到ADCIN2口電路如圖2所示。當水位變化時(shí)浮子隨之升降，浮子升降3 cm，傳感器內部的磁鋼旋轉一周，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ADCIN2口的電壓數值可以判斷是哪個(gè)干簧繼電器通斷，由IN2端電壓變化規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　水面水底信號的獲取

　　進(jìn)行垂線(xiàn)水深測量時(shí)，鉛魚(yú)運行到河道斷面的指定垂線(xiàn)位置后開(kāi)始下降，一旦鉛魚(yú)接觸水面則啟動(dòng)水深計數器開(kāi)始水深計數，當鉛魚(yú)繼續下降接觸水底時(shí)，水底開(kāi)關(guān)閉合停止計數，該計數值即為本條垂線(xiàn)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。單片機根據IN1口的電壓判斷鉛魚(yú)已接觸水面啟動(dòng)水深計數，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。當鉛魚(yú)繼續下降直到接觸河底，河底開(kāi)關(guān)K2被壓通，鉛魚(yú)內部4．5 V電池E1接入電路中ADCIN1口電壓下降到0 V以下，單片機判斷已達到河底停止水深計數并通過(guò)P1口輸出信號使水深電動(dòng)機停止運行。

1．1．3　偏角信號的獲取

　　懸索纜道配有專(zhuān)門(mén)的偏角儀，用來(lái)修正水流導致鉛魚(yú)不能垂直下降到水底而產(chǎn)生的水深測量誤差。偏角儀可以測量出鉛魚(yú)受水流影響偏離正常位置的角度，再根據偏角的大小通過(guò)查表或公式計算來(lái)修正水深誤差。人工測量是用眼睛根據偏角儀的刻度估測偏角的大小，誤差較大。我們對偏角儀稍做改動(dòng)增加一個(gè)電位器W1和相應的電路如圖1所示，通過(guò)機械聯(lián)動(dòng)裝置將偏角的位移轉換成電位器的轉動(dòng)從而改變W1的阻值，利用副索2將因偏角變化導致的電壓變化送到ADCIN0口?？紤]到野外工作的特殊性，采用性能穩定密封性好的線(xiàn)繞電位器，由于IN0口的電壓變化與偏角之間不是線(xiàn)性關(guān)系用軟件查表方式確定偏角值。為了減少機械位移、纜索電阻等因素的影響，實(shí)際操作時(shí)當鉛魚(yú)未入水時(shí)測一次偏角作基準，達到水面和水底時(shí)分別測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　流速信號的獲取

　　流速的測量是由流速儀完成，測量流速時(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為流速儀內部開(kāi)關(guān)，流速儀每轉動(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，只要監測IN0口的電壓差就可以判斷流速儀的轉動(dòng)情況。實(shí)際測量中IN0口的電壓差大小與測點(diǎn)垂線(xiàn)的距離和水質(zhì)有關(guān)，距離越大電壓差越小，在150 m的河道中流速信號的電壓差大于0．5 V。用ADC0809監測流速信號，當V_REF＝5V時(shí)分辨率為0．02 V足以區別流速儀的轉動(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(mǎn)足一般中、小河道的測驗要求。對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機通信接口等部分組成的接口信息如：

    （1）行程信號如水深、水平距離；
　?。?）水位信號；
　?。?）輸出控制信號用來(lái)控制電動(dòng)機進(jìn)行正轉、反轉、停止，使鉛魚(yú)按要求運動(dòng)做定點(diǎn)測量。

　　接口電路如圖1所示，電路充分利用ADC0809多路模數變換器將復雜的接口信息轉換成數字信號。同時(shí)還利用光電門(mén)將工作索行程（水深和水平距離的移動(dòng)）轉換成電脈沖信號，送到ATMEL89單片機進(jìn)行處理、顯示、控制完成自動(dòng)測驗。

1．2　行程信號的獲取接口電路

　　鉛魚(yú)的行程信號包括鉛魚(yú)水平往返移動(dòng)的行程信號，和鉛魚(yú)測量水深時(shí)垂直移動(dòng)的水深信號。位移信號的獲取如圖4所示。他是由加裝在機械傳動(dòng)裝置上的切光板和光電門(mén)獲得。設計為纜索每移動(dòng)1 cm切光板遮光一次，光電門(mén)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。水深和往返信號分別從光敏二極管D3，D4上取出，經(jīng)過(guò)異或門(mén)后加到單片機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值，輸出功能是輸出控制信號。一是控制行程電動(dòng)機正、反轉和停機，使鉛魚(yú)按測驗要求進(jìn)行垂直和水平運動(dòng)；二是在水深測量過(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。顯示打印電路部分用6個(gè)LED管顯示和微型打印機進(jìn)行簡(jiǎn)單打印。用 P3．1串口與PC機相連可以進(jìn)行數據的轉存和進(jìn)一步處理，顯示和打印。

2　系統軟件流程圖

　　本系統的軟件約占7 kB，系統程序流程圖如圖5所示。

　　程序分為系統管理、運算處理、測驗控制3大模塊。系統管理模塊包括：初始化、系統監控、操作切換、緊急處理等程序。運算處理模塊包括：數據運算、誤差修正、顯示打印等程序。測驗控制模塊是由包括：測垂線(xiàn)到起始點(diǎn)距離、測垂線(xiàn)水深、測垂線(xiàn)流速、測垂線(xiàn)水位、接口數據采集等諸多子程序組成。

    為了盡量減少測量誤差保證測量精度嚴格符合水文規范要求，在測垂線(xiàn)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)際水深測量中由于鉛魚(yú)的運動(dòng)會(huì )引起纜索的起伏跳動(dòng)而造成測量誤差，我們在程序中設定的操作是：當鉛魚(yú)入水后暫停在水面10 s不進(jìn)行水深計數，待其穩定后升出水面20 cm，再第二次進(jìn)入水面。鉛魚(yú)第二次到達水面后啟動(dòng)水深計數暫停下降，測量水面偏角θ_A，鉛魚(yú)繼續下降直到河底停止水深計數，測量水底偏角θ_B。最后根據干繩長(cháng)度（纜索到水面的高度）、濕繩長(cháng)度（水深初值）、θ_A，θ_B計算出實(shí)際的該條垂線(xiàn)水深值。

3　結　語(yǔ)

　　ATMEL89單片機水文纜道測驗系統具有較強的兼容性，適合中、小河道的自動(dòng)或半自動(dòng)測驗，操作方便性能穩定，測驗精度達到部頒《規范》要求，有效地減少了操作者的勞動(dòng)強度和工作時(shí)間。

參考文獻

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