基于雙音頻信號控制的水文纜道測沙自控儀的研制

康修洪，李先哲，肖 英，朱 兵

(1.吉安市水文局，江西，吉安 343000； 2.井岡山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江西，吉安 343009)

我國是一個多沙河流的國家，泥沙問題較為突出。在水利水電工程建設(shè)、泥沙運動規(guī)律和土壤侵蝕研究、水土流失治理等方面，河流泥沙的測驗是一個十分重要的課題[1-2]。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水文水資源信息的采集、傳輸、處理和水文預(yù)測預(yù)報智能化提出了更高要求。近年來，雨量和水位自動采集、傳輸、處理已基本實現(xiàn)，流量和蒸發(fā)自動采集儀器設(shè)備也有較大發(fā)展，而河流泥沙監(jiān)測儀器設(shè)備研究一直無大的突破[3]。

目前，在水文站中普遍使用的自動纜道測流系統(tǒng)均存在進水閥密封、信號控制、與纜道測流系統(tǒng)整合等諸多問題：一是閥門結(jié)構(gòu)不合理，使用中容易銹蝕和被泥沙卡??；二是控制傳輸過程中，受到纜道運轉(zhuǎn)以及周邊環(huán)境帶來的各種信號干擾，閥門的開啟無法正確控制，影響采樣結(jié)果[4-5]；三是在岸上控制時無法知道閥門的開啟狀態(tài)；四是目前使用的儀器為單根管徑采樣，在完成一個采樣周期后，關(guān)閉閥門到下一個采樣周期閥門打開前，破壞了管中水流狀態(tài)，并在管中會殘余泥沙，影響最終含沙量的檢測精度。為解決上述問題，本文開展了測沙自控儀的研制。

1 纜道測沙自控儀整體設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)的纜道水文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由主控制臺端和沉入水下的泥沙采樣端兩部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

主控制臺端以ARM9 S3C2401處理器為核心，岸上雙音頻通訊模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、纜車控制、與 PC機的接口共同組成。泥沙采樣端以89C52單片機為核心，水下雙音頻通訊模塊、雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥、流量計、位置傳感器組成。ARM9 S3C2401處理器負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令、記錄和和顯示各項測驗數(shù)據(jù)，鍵盤用于調(diào)整采樣時間參數(shù)，纜車將裝有泥沙采樣端的鉛魚送入指定的水中位置；89C52單片機負(fù)責(zé)接收采樣時間、控制雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥開啟和關(guān)閉，位置傳感器提供水面信號、河底信號，流量計提供河水瞬時流速信號；岸上雙音頻通訊模塊和水下雙音頻通訊模塊負(fù)責(zé)控制信號和數(shù)據(jù)信號的發(fā)送和接收。

2 雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門設(shè)計

針對閥門結(jié)構(gòu)不合理，使用中容易銹蝕和被泥沙卡住的問題，設(shè)計了雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門。

雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門按照河流泥沙測驗規(guī)范要求設(shè)計，通過水文纜道的水平和垂直運行準(zhǔn)確定位，用雙音頻信號無線信號控制器控制水下采樣器閥門的開關(guān)，測取斷面各位置，不同水深的水樣，為準(zhǔn)確分析出斷面含沙量及輸沙率提供保證。設(shè)計制作的雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門，已獲中國實用新型專利(申請?zhí)枺?00920142120.X)，如圖 2所示。

圖2 雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Double tube double steady water samples the valve structure

該閥門由頂座(1)，彈簧(2)，壓桿 1(3)，壓桿2(4)，鉸鏈(5)，穿橡膠管圓孔 1(6)，穿橡膠管孔 2(7)，鐵(8)，線圈1(9)，線圈2(10)，定向連接器1(11)，定向連接器 2(12)，底座(13)，滾珠(14)，狀態(tài)傳感器(15)組成。由于水道采用Y型雙管，接收到控制端的采樣信號后，設(shè)備打開采樣器管道，關(guān)閉另一管道，含沙水流流入采樣瓶或皮囊，采樣結(jié)束時發(fā)送關(guān)閉信號，設(shè)備打開通向河流下游管道，關(guān)閉采樣管道，含沙水流流入河內(nèi)，管中基本沒有殘留積沙，水流接近天然流速，較少干擾天然流態(tài)。同時，狀態(tài)傳感器將設(shè)備工作狀態(tài)實時直觀地顯示在控制端。

3 纜道測沙自控儀控制系統(tǒng)

3.1 信號傳輸

本系統(tǒng)有水面位置信號、河底到達(dá)位置信號、采樣器工作控制信號、流速數(shù)據(jù)信號等。現(xiàn)有的信號傳輸方式有脈沖方式、無線通訊方式、單音頻方式。脈沖方式是一種時域處理方法，它用脈沖的個數(shù)來表示號碼數(shù)字，遇到雷電，洪水，暴雨等環(huán)境，可靠性差；無線通訊方式的功率要求大，受體積的影響，使用的電池容量有限，使用時間不夠完成 1次完整取樣，且天線必須露出水面，一般不使用；單音頻方式只有一種頻率的信號，對于一般性的干擾就容易造成誤判[6-8]。因此，本儀器采用雙音頻通訊方式。

為了滿足500-1000 m河寬通訊要求，本儀器采用500-2000 Hz范圍的音頻頻率，采用MT5087雙音頻編碼芯片和MT8870雙音頻解碼芯片作為雙音頻信號的發(fā)生器與接收器，完成信號的傳輸。將音頻的高端和低端搭配，采用4×4的矩陣編碼，共有16種組合，每種組合代表一個數(shù)字。

3.2 處理器的選擇

岸上系統(tǒng)處理器選STC89C58RD，水下系統(tǒng)處理器選89C52單片機。在傳輸過程中信號需要放大，選用 SPY0030A IC音頻功率放大器將雙音頻信號放大。在數(shù)據(jù)顯示和人機交互界面方面采用具有多功能 LCD1602液晶顯示屏，在數(shù)據(jù)的保存方面采用U盤讀寫模塊將數(shù)據(jù)從單片機中讀入U盤并自動建立Excel文件；同時還能增加和計算機對接的功能，將數(shù)據(jù)直接輸入到計算機中進行控制，升級空間非常大，具有很強的人性化設(shè)計。

3.3 接口擴展芯片的選擇

選擇74HC573D鎖存器來擴展單片機的I/O端口，由于單片機本身的24個I/O端口不夠用，因此用2塊74HC573D使接口擴展至40個，這樣才能滿足系統(tǒng)要求，此款鎖存器具有低功耗，低成本，易用，易控制等優(yōu)點?；诙喾矫娴木C合考慮和分析，選擇74HC573D作為接口擴展芯片。

3.4 人機交互顯示模塊

人機交互功能對于產(chǎn)品非常重要，是體現(xiàn)人性化設(shè)計的一個重要方面，其中顯示和控制是主要體現(xiàn)。在顯示方面采用 LCD1602液晶作為數(shù)據(jù)和信息的實時顯示界面，在控制方面采用鍵盤來輸入控制信號，而單片機的實時程序檢測鍵盤的信號。因此用鍵盤操作給整個系統(tǒng)帶來了更為人性化的理念。

3.5 水面、河底失重信號

水面信號是指流量監(jiān)測裝置下到水面的瞬間，提供給岸上控制端計算裝置在水下位置的起點信號。該水面信號由水介質(zhì)接觸開關(guān)信號完成，單片機的P1.0腳和正極電源兩個極板，單片機設(shè)計成中斷狀態(tài)，當(dāng)鉛魚入水時，兩接觸點導(dǎo)通，即給單片機P1.0腳一個高脈沖，單片機進入服務(wù)程序，發(fā)出“入水”信號；出水時，極板斷開，即給單片機P1.0腳一個低脈沖，單片機進入服務(wù)程序，發(fā)出“出水”信號。

纜道測沙自控儀雙音頻通信控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙音頻通信控制系統(tǒng)電原理圖Fig. 3 Double audio communication control system electric schematic diagram

4 工作原理

從節(jié)約和實用的角度考慮，擬利用纜道鋼絲循環(huán)索構(gòu)成監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸回路，最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，如圖4所示。

圖4纜道基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Cableway basic structure

其工作過程是，將包含流量計在內(nèi)的流量監(jiān)測裝置安放在纜道鋼絲循環(huán)索上的鉛魚中運行，運行到預(yù)先設(shè)計的垂線位置后放入河水中，入水瞬間將產(chǎn)生的下水信號傳輸?shù)桨渡峡刂平邮斩?，?dāng)裝置按要求下到一定水深時，岸上控制接收端的單片機發(fā)出控制信號，該控制信號是一種代表數(shù)字信號的雙音頻信號，控制信號通過水介質(zhì)、大地和纜道鋼絲循環(huán)索傳送，水下流速監(jiān)測記錄端接收到該開始工作的控制信號，按照要求開始記錄流量計轉(zhuǎn)動的個數(shù)，單片機將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成代表數(shù)字信號組合的雙音頻信號，使不同組合的音頻信號同樣通過水介質(zhì)、大地和纜道鋼絲循環(huán)索傳送，傳回控制點，接收到的信號被還原成流速數(shù)據(jù)，按照公式計算出流量[9]。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

岸上控制終端軟件流程圖如圖5所示，水下數(shù)據(jù)采集終端軟件流程圖如圖6所示。

圖5 岸上控制端流程圖Fig.5 Shore control flow chart

6 采樣方法與結(jié)果

6.1 采樣方法

首先，在河道中取任一斷面采樣，根據(jù)要求將斷面分為若干條垂線，每兩條垂線間的面積為部分面積，由相鄰兩條垂線上采樣點按設(shè)定時間采集。本儀器各垂線的起點距和水深的測量是由水文纜道測距儀實現(xiàn)的，水文纜道測距儀、光電傳感器配合水文絞車實現(xiàn)了測流鉛魚的定位系統(tǒng)。水文纜道測距儀由起點距測量和水深測量兩部分組成，起點距、水深傳感器均由光電增量編碼傳感器直接感應(yīng)循環(huán)輪和起重輪。為避免繩索感應(yīng)方式的打滑故障，傳感器與絞車轉(zhuǎn)動軸采用直接柔性相聯(lián)方式，使傳感器與絞車傳動軸同步轉(zhuǎn)動。使用時先初步算出繩長系數(shù)（一般轉(zhuǎn)輪直徑為30 cm，測出絞車轉(zhuǎn)輪周長，由傳感器每轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號數(shù)為 200，可知繩長系數(shù)為 3.14*30/200=0.472），并設(shè)置到測距儀的起點距或入水深對應(yīng)的存儲單元中，以期可直接算出繩索長度，從而確定起點距及水深參數(shù)。

圖6 水下控制端軟件流程圖Fig.6 Underwater flow chart of control software

裝載本采樣儀的鉛魚水平垂直位置是由移動的繩長確定的。光電編碼信號與繩長的轉(zhuǎn)換系數(shù)由式（1）和（2）確定：

由于纜道橫跨于斷面上的主索總有一定的弧度，如果以光電編碼器光電信號記錄的繩長作為實際起點距與理論上要求的起點距總有一定誤差。

圖7 起點距圖Fig.7 Starting Point Distance Map

如圖7所示，起點距使用經(jīng)緯儀測出了理論數(shù)值 Y1、Y2、Y3……Yi。由于主索有垂弧度，僅用繩長測出了實際X1、X2、X3……Xi。本儀器為此設(shè)計了垂弧度自動修正技術(shù)方案，即將若干段線用時測法求出每段的修正系數(shù)，保存在儀器存儲器中，實際使用時，以期自動識別每段修正系數(shù)，測出精確的起點距。

一旦系數(shù)確定，使用時儀器自動按 Yi=Ki*Xi計算出起點距。設(shè)起點距的總長為L，則可計算出L值為：

在設(shè)計中，為測距儀設(shè)計了自動停車的功能，也即當(dāng)測距儀記錄的水平起點距與設(shè)定垂線起點距相等以及鉛魚入水深達(dá)到測點位置時，測距儀自動向交流變頻調(diào)速儀系統(tǒng)發(fā)出停車信號，這樣可大大提高測驗的效率和準(zhǔn)確性。

整個斷面總流量，即由相鄰兩垂線上的平均流速與部分?jǐn)嗝婷娣e乘積而得到部分流量，而各部分流量之和即為斷面間總流量。如圖8所示。

圖8 測流斷面示意圖Fig.8 Measuring Flow Cross-Section Diagram

設(shè)：第 i條垂線與第 i-1條垂線間的距離為：Di- Di-1；第i條垂線上的水深為： Hi，則第i個部分?jǐn)嗝婷娣e為：Si = 12(Di-Di-1)(Hi+Hi-1)。

第i條垂線上各測點的平均流速為Vi，則斷面總流量Qi由式（4）求得：

6.2 采樣效果

將該儀器在江西省上沙蘭、賽塘水文站采用上述部分面積和部分流速計算法進行采樣。依據(jù)“河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范（GB50159-92）”國家標(biāo)準(zhǔn)，使用管徑4 mm的采集瓶采樣，效果如下表所示。

表1 水文站采樣結(jié)果表Table 1 Sampling results hydrological stations

7 結(jié)論

運行表明，當(dāng)河流流速小于5 m/s和含沙量小于30 g/m3時，管嘴進口流速系數(shù)在0.9～1.1之間的保證率均大于75%，纜道測沙自控儀能按照河流泥沙測驗規(guī)范要求順利采樣[10-12]。經(jīng)過雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門與鉛魚有機結(jié)合，合理布置進排水管線和通訊線路，水文纜道的水平和垂直運行準(zhǔn)確定位，采用雙音頻信號傳輸可靠的控制水下采樣器閥門的開關(guān)，測取斷面各位置，不同水深的水樣，并及時發(fā)回閥門開關(guān)狀況信號。雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集解決了關(guān)閉狀態(tài)下進水管淤積泥沙問題，同時閥門不必進行全密封，還實現(xiàn)了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)岸上至水中和水中至岸上的雙向控制傳輸。該儀器提出的泥沙采樣方法是水文泥沙數(shù)據(jù)測驗中的一種新方法。實踐證明該系統(tǒng)稍加改進還可用于船測站取沙，除能在水文測驗中得到廣泛應(yīng)用外，還能在水土保持，水環(huán)境監(jiān)測等項目中得到廣泛應(yīng)用。

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