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

　　1.1.1 水位信號的獲取

　　電傳水位計(jì)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(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 水面水底信號的獲取

　　進(jìn)行垂線水深測量時(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。工作過程如下：在鉛魚下降過程中單片機(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P1口輸出信號使水深電動機(jī)停止運(yùn)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(dǎo)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(jì)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(gè)電位器W1和相應(yīng)的電路如圖1所示，通過機(jī)械聯(lián)動裝置將偏角的位移轉(zhuǎn)換成電位器的轉(zhuǎn)動從而改變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)測一次偏角作基準(zhǔn)，達(dá)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IN0口的電壓差就可以判斷流速儀的轉(zhuǎn)動情況。實(shí)際測量中IN0口的電壓差大小與測點(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的河道中流速信號的電壓差大于0.5 V.用ADC0809監(jiān)測流速信號，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，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(yàn)要求。對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：

　?。?）行程信號如水深、水平距離；

　　（2）水位信號；

　　（3）輸出控制信號用來控制電動機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，使鉛魚按要求運(yùn)動做定點(diǎn)測量。

　　接口電路如圖1所示，電路充分利用ADC0809多路模數(shù)變換器將復(fù)雜的接口信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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）轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，送到ATMEL89單片機(jī)進(jìn)行處理、顯示、控制完成自動測驗(yàn)。

　　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(shí)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(jī)械傳動裝置上的切光板和光電門獲得。設(shè)計(jì)為纜索每移動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)作水平往返移動還是垂直移動，兩者只取其一。