基于AT89S8252單片機(jī)的水文纜道測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1.3 偏角信號(hào)的獲取

　　懸索纜道配有專門的偏角儀，用來修正水流導(dǎo)致鉛魚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(jì)算來修正水深誤差。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均接通常開觸點(diǎn)-5 V電壓加于水下極板，K1為流速儀內(nèi)部開關(guān)，流速儀每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈K1通斷一次。K1斷開時(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改進(jìn)電路或提高工作電壓的方法來增加電壓差。與PC機(jī)通信接口等部分組成的接口信息如：

　　(1)行程信號(hào)如水深、水平距離;

　　(2)水位信號(hào);

　　(3)輸出控制信號(hào)用來控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，使鉛魚按要求運(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

　　鉛魚的行程信號(hào)包括鉛魚水平往返移動(dòng)的行程信號(hào)，和鉛魚測(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)量過程中控制繼電器J1、J2的閉合與斷開獲取水面水底信號(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。