一種水文纜道測驗系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

　　1.1.1 水位信號的獲取

　　電傳水位計是用來監(jiān)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。當水位變化時浮子隨之升降，浮子升降3 cm,傳感器內(nèi)部的磁鋼旋轉一周，即每變化1 cm有一個干簧繼電器會通斷一次。J3,J4,J5分別吸合時IN2口的電壓分別為1.6 V,2.5 V,3.2 V左右，無繼電器吸合時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 水面水底信號的獲取

　　進行垂線水深測量時，鉛魚運行到河道斷面的指定垂線位置后開始下降，一旦鉛魚接觸水面則啟動水深計數(shù)器開始水深計數(shù)，當鉛魚繼續(xù)下降接觸水底時，水底開關閉合停止計數(shù)，該計數(shù)值即為本條垂線的水深初值。工作過程如下：在鉛魚下降過程中單片機不斷地讀取ADCIN1口電壓，鉛魚入水前繼電器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,一旦鉛魚接觸水面+5 V電壓通過水下極板→河水→鉛魚→副索1→ADC0809使IN1端電壓上升到3 V以上。單片機根據(jù)IN1口的電壓判斷鉛魚已接觸水面啟動水深計數(shù)，同時令P3.4輸出高電平繼電器J1接通常開觸點，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。當鉛魚繼續(xù)下降直到接觸河底，河底開關K2被壓通，鉛魚內(nèi)部4.5 V電池E1接入電路中ADCIN1口電壓下降到0 V以下，單片機判斷已達到河底停止水深計數(shù)并通過P1口輸出信號使水深電動機停止運行。

　　1.1.3 偏角信號的獲取

　　懸索纜道配有專門的偏角儀，用來修正水流導致鉛魚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)偏角的大小通過查表或公式計算來修正水深誤差。人工測量是用眼睛根據(jù)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增加一個電位器W1和相應的電路如圖1所示，通過機械聯(lián)動裝置將偏角的位移轉換成電位器的轉動從而改變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(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，實際操作時當鉛魚未入水時測一次偏角作基準，達到水面和水底時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，測量流速時繼電器J1,J2均接通常開觸點-5 V電壓加于水下極板，K1為流速儀內(nèi)部開關，流速儀每轉動一圈K1通斷一次。K1斷開時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IN0口的電壓差就可以判斷流速儀的轉動情況。實際測量中IN0口的電壓差大小與測點垂線的距離和水質有關，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(jiān)測流速信號，當VREF=5V時分辨率為0.02 V足以區(qū)別流速儀的轉動，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、小河道的測驗要求。對于較寬的河道可以通過改進電路或提高工作電壓的方法來增加電壓差。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；

　?。?）輸出控制信號用來控制電動機進行正轉、反轉、停止，使鉛魚按要求運動做定點測量。

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

　　1.2 行程信號的獲取接口電路

　　鉛魚的行程信號包括鉛魚水平往返移動的行程信號，和鉛魚測量水深時垂直移動的水深信號。位移信號的獲取如圖4所示。他是由加裝在機械傳動裝置上的切光板和光電門獲得。設計為纜索每移動1 cm切光板遮光一次，光電門產(chǎn)生一個脈沖。水深和往返信號分別從光敏二極管D3,D4上取出，經(jīng)過異或門后加到單片機P3.2外部中斷0輸入端，每移動1 cm產(chǎn)生一個中斷，中斷服務程序可以區(qū)別鉛魚此時作水平往返移動還是垂直移動，兩者只取其一。