纜道測流是根據(jù)我國國情獨(dú)創(chuàng)的一種測流方式，特別適用于測流斷面容易變化的天然河床的斷面面積和平均流速的測量，是目前其它測流方法不可取代的。水文纜道測驗(yàn)本身，是一個(gè)復(fù)雜空間系的動(dòng)態(tài)變化過程，如纜道彈跳、機(jī)械運(yùn)動(dòng)慣性，流速的變化等因素都影響流量測驗(yàn)的精度，而且是一個(gè)隨機(jī)變量，把這些主要變量建立成數(shù)學(xué)模型，編制相應(yīng)的程序，輸入微機(jī)，由微機(jī)自動(dòng)運(yùn)算調(diào)整，而得到正確的結(jié)果，這樣就會(huì)大大提高水文測驗(yàn)的精度，又能及時(shí)地提供成果資料。
經(jīng)過近50年的發(fā)展，水文測流已形成以纜道測流為主，特別是纜道測流技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速，基本可形成標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的條件，如纜道架設(shè)已從多樣化發(fā)展到基本采用開口游輪省力方式；水文絞車已從手搖、皮帶聯(lián)連到滑差調(diào)速電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)到與交流變頻調(diào)速配套使用的普通交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車；纜道信號(hào)從直流有線、交流有線、交流無線和無線電信號(hào)發(fā)展到纜道綜合信號(hào)的地回路傳輸方式；流速測算已從電鈴、音響記數(shù)和自記計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)和流速直接測算到直接整算流量成果報(bào)表；起點(diǎn)距和入水深測量已從繩結(jié)測量、繩長計(jì)數(shù)測量到具有垂弧度自動(dòng)修正的實(shí)距測量；行車控制也由手動(dòng)、電動(dòng)、滑差調(diào)速到直流可控硅調(diào)速發(fā)展打今天的交流變頻調(diào)速；總的繞道測流系統(tǒng)也由手動(dòng)到半自動(dòng)發(fā)展到全自動(dòng)控制測流系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)框圖如圖1所示。
采用AT89S8252單片機(jī)。由于河道測驗(yàn)的數(shù)據(jù)量大且運(yùn)算比較復(fù)雜，而單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量有限。故增加外部存儲(chǔ)器RAM6116和ROM6264.外部信號(hào)的輸入采集接口是以多路A/D片ADC0809為核心，將纜道信號(hào)和水位信號(hào)送到單片機(jī)P1口和P3口承擔(dān)其他輸入、輸出信號(hào)的接口。下面根據(jù)水文測驗(yàn)的特點(diǎn)，介紹主要的接口電路和工作過程。
1.1 ADC0809接口電路
ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809的主要特性：
1.它是具有8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出功能的A/D轉(zhuǎn)換器。
2.轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs.
3.模擬輸入電壓范圍為0V~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。
4.低功耗，約15mW.
他將電傳水位計(jì)的水位變化信號(hào)和纜道送來的流速、偏角、水面水底信號(hào)經(jīng)變換后傳送到單片機(jī)。該接口具有電路簡單、穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。
1.1.1 水位信號(hào)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(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(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(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(hào)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(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(hào)的電壓差大于0.5 V.用ADC0809監(jiān)測流速信號(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、小河道的測驗(yàn)要求。對(duì)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(hào)如水深、水平距離；
?。?）水位信號(hào)；
?。?）輸出控制信號(hào)用來控制電動(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。
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(hào)。一是控制行程電動(dòng)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(dòng)；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(hào)。顯示打印電路部分用6個(gè)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(dòng)會(huì)引起纜索的起伏跳動(dòng)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(jì)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(dòng)水深計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)或半自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度和工作時(shí)間。