ATMEL89单片机水文缆道测验系统设计

　　缆道测流是根据我国国情独创的一种测流方式，特别适用于测流断面容易变化的天然河床的断面面积和平均流速的测量，是目前其它测流方法不可取代的。水文缆道测验本身，是一个复杂空间系的动态变化过程，如缆道弹跳、机械运动惯性，流速的变化等因素都影响流量测验的精度，而且是一个随机变量，把这些主要变量建立成数学模型，编制相应的程序，输入微机，由微机自动运算调整，而得到正确的结果，这样就会大大提高水文测验的精度，又能及时地提供成果资料。

　　经过近50年的发展，水文测流已形成以缆道测流为主，特别是缆道测流技术，近几年发展迅速，基本可形成标准化建设的条件，如缆道架设已从多样化发展到基本采用开口游轮省力方式;水文绞车已从手摇、皮带联连到滑差调速电动驱动、直流伺服电机驱动到与交流变频调速配套使用的普通交流异步电机驱动绞车;缆道信号从直流有线、交流有线、交流无线和无线电信号发展到缆道综合信号的地回路传输方式;流速测算已从电铃、音响记数和自记计数、计时计数和流速直接测算到直接整算流量成果报表;起点距和入水深测量已从绳结测量、绳长计数测量到具有垂弧度自动修正的实距测量;行车控制也由手动、电动、滑差调速到直流可控硅调速发展打今天的交流变频调速;总的绕道测流系统也由手动到半自动发展到全自动控制测流系统。

　　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

　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，ADC0809的主要特性：

　　1.它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。

　　2.转换时间为100μs.

　　3.模拟输入电压范围为0V~+5V,不需零点和满刻度校准。

　　4.低功耗，约15mW.

　　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