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(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(jìn)行垂線水深測量時，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數(shù)器開始水深計數(shù)，當(dāng)鉛魚繼續(xù)下降接觸水底時，水底開關(guān)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(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數(shù)，同時令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(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)際操作時當(dāng)鉛魚未入水時測一次偏角作基準(zhǔn)，達(dá)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(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：

　　(1)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(jī)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(wù)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。

　　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。一是控制行程電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停機(jī)，使鉛魚按測驗(yàn)要求進(jìn)行垂直和水平運(yùn)動;二是在水深測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。顯示打印電路部分用6個LED管顯示和微型打印機(jī)進(jìn)行簡單打印。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。測驗(yàn)控制模塊是由包括：測垂線到起始點(diǎn)距離、測垂線水深、測垂線流速、測垂線水位、接口數(shù)據(jù)采集等諸多子程序組成。

　　為了盡量減少測量誤差保證測量精度嚴(yán)格符合水文規(guī)范要求，在測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)際水深測量中由于鉛魚的運(yùn)動會引起纜索的起伏跳動而造成測量誤差，我們在程序中設(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)水面后啟動水深計數(shù)暫停下降，測量水面偏角θA,鉛魚繼續(xù)下降直到河底停止水深計數(shù)，測量水底偏角θB.最后根據(jù)干繩長度(纜索到水面的高度)、濕繩長度(水深初值)、θA,θB計算出實(shí)際的該條垂線水深值。

　　3 結(jié) 語

　　ATMEL89單片機(jī)水文纜道測驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性，適合中、小河道的自動或半自動測驗(yàn)，操作方便性能穩(wěn)定，測驗(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強(qiáng)度和工作時間。