基于Atmel單片機(jī)的水文測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)

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),鉛魚運(yùn)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(dòng)水深計(jì)數(shù)器開始水深計(jì)數(shù),當(dāng)鉛魚繼續(xù)下降接觸水底時(shí),水底開關(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：在鉛魚下降過(guò)程中單片機(jī)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(guò)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(jī)根據(jù)IN1口的電壓判斷鉛魚已接觸水面啟動(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)鉛魚繼續(xù)下降直到接觸河底,河底開關(guān)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(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(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(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：

（1）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(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)別鉛魚此時(shí)作水平往返移動(dòng)還是垂直移動(dòng),兩者只取其一。