基于Atmel单片机的水文测验系统

　　早期的中小河道水文测验一般是采用人工操作的,操作时间长、劳动强度大、主观误差大。为此我们对原有的人工测验系统进行了改造,采用单片机控制替代人工进行自动水文测验。本文介绍了基于ATMEL89单片机的水文缆道自动测验系统,系统的设计是构建在原有设施基础上,而且尽量不改变系统结构并能兼容手动操作方法,自动地完成流量的测验计算和打印,适用于中小河道的悬索和悬杆两种类型的水文缆道。

　　根据水利部颁发的《水文缆道测验规范》及人工控制水文缆道的结构和测验要求,单片机控制系统的主要功能有：自动进行河道断面的面积、平均流速、流量测验和计算打印;河道断面任一垂线上水深、水面偏角、河底偏角、垂线平均流速的自动测验;干绳、湿绳和位移修正;测验期间水位自动监测等。系统的硬件以单片机为核心以及输入／输出接口,存储器系统和打印显示电路等部分组成;软件部分由系统控制、数据采集存储、误差修正、流量计算4个主要软件模块组成。

　　下面介绍本系统的原理和设计要点。

1 系统构成

　　系统框图如图1所示。

　　采用AT89S8252单片机。由于河道测验的数据量大且运算比较复杂,而单片机内部的存储器容量有限。故增加外部存储器RAM6116和ROM6264。外部信号的输入采集接口是以多路A／D片ADC0809为核心,将缆道信号和水位信号送到单片机P1口和P3口承担其他输入、输出信号的接口。下面根据水文测验的特点,介绍主要的接口电路和工作过程。

1．1　ADC0809接口电路

　　以ADC0809为中心的接口电路如图2所示。

　　他将电传水位计的水位变化信号和缆道送来的流速、偏角、水面水底信号经变换后传送到单片机。该接口具有电路简单、稳定可靠、抗干扰强等特点。

1．1．1　水位信号的获取

　　电传水位计是用来监测水位的变化,为了获取水位信号对电传水位计的传感器部分进行了改造。在传感器内部增加了干簧继电器J3,J4,J5,取消内部电池而直接由系统供电。电阻R5～R8组成分压器,分压器输出到ADCIN2口电路如图2所示。当水位变化时浮子随之升降,浮子升降3 cm,传感器内部的磁钢旋转一周,即每变化1 cm有一个干簧继电器会通断一次。J3,J4,J5分别吸合时IN2口的电压分别为1．6 V,2．5 V,3．2 V左右,无继电器吸合时IN2口电压为＋5 V。根据ADCIN2口的电压数值可以判断是哪个干簧继电器通断,由IN2端电压变化规律可以知道水位的上升或下降如图3所示,图3中（a）为上升,（b）为下降。

1．1．2　水面水底信号的获取

　　进行垂线水深测量时,铅鱼运行到河道断面的指定垂线位置后开始下降,一旦铅鱼接触水面则启动水深计数器开始水深计数,当铅鱼继续下降接触水底时,水底开关闭合停止计数,该计数值即为本条垂线的水深初值。工作过程如下：在铅鱼下降过程中单片机不断地读取ADCIN1口电压,铅鱼入水前继电器J1,J2处于常闭位置,ADC0809输入端IN1的电压是由R3,R4分压决定为2．5 V,一旦铅鱼接触水面＋5 V电压通过水下极板→河水→铅鱼→副索1→ADC0809使IN1端电压上升到3 V以上。单片机根据IN1口的电压判断铅鱼已接触水面启动水深计数,同时令P3．4输出高电平继电器J1接通常开触点,由电路图可知河水电阻与R4并联使IN1口的电压为1．5 V左右。当铅鱼继续下降直到接触河底,河底开关K2被压通,铅鱼内部4．5 V电池E1接入电路中ADCIN1口电压下降到0 V以下,单片机判断已达到河底停止水深计数并通过P1口输出信号使水深电动机停止运行。

1．1．3　偏角信号的获取

　　悬索缆道配有专门的偏角仪,用来修正水流导致铅鱼不能垂直下降到水底而产生的水深测量误差。偏角仪可以测量出铅鱼受水流影响偏离正常位置的角度,再根据偏角的大小通过查表或公式计算来修正水深误差。人工测量是用眼睛根据偏角仪的刻度估测偏角的大小,误差较大。我们对偏角仪稍做改动增加一个电位器W1和相应的电路如图1所示,通过机械联动装置将偏角的位移转换成电位器的转动从而改变W1的阻值,利用副索2将因偏角变化导致的电压变化送到ADCIN0口。考虑到野外工作的特殊性,采用性能稳定密封性好的线绕电位器,由于IN0口的电压变化与偏角之间不是线性关系用软件查表方式确定偏角值。为了减少机械位移、缆索电阻等因素的影响,实际操作时当铅鱼未入水时测一次偏角作基准,达到水面和水底时分别测一次水面偏角和水底偏角,经修正后即得到较精确的偏角值。

1．1．4　流速信号的获取

流速的测量是由流速仪完成,测量流速时继电器J1,J2均接通常开触点－5 V电压加于水下极板,K1为流速仪内部开关,流速仪每转动一圈K1通断一次。K1断开时ADCIN0口的电压为1．5 V左右,K1接通后ADCIN0口的电压变化大于0．5 V,只要监测IN0口的电