浮標起點距自動計算器應用研究

張玉勝，陳泉志

（黃委中游水文水資源局，山西 晉中 030600）

浮標起點距自動計算器應用研究

張玉勝，陳泉志

（黃委中游水文水資源局，山西 晉中 030600）

浮標起點距自動計算器可以自動計算電子經(jīng)緯儀跟蹤測量的浮標起點距位置，并通過 LED 數(shù)碼管顯示。與人工計算相比，由于采用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，使用起點距自動計算器可以快速、準確地計算出浮標起點距，提高工作效率和測量的精度。

浮標；起點距；自動計算；測驗

0　引言

浮標法測流是指通過測定水中的天然或人工漂浮物隨水流運動的速度，結合斷面資料及浮標系數(shù)來推求流量的方法［1］。其中一項主要內(nèi)容是測定浮標在中斷面上的位置，即測定浮標流經(jīng)中斷面時的起點距。通常采用平板儀、經(jīng)緯儀或全站儀測角交會法測定。

儀器觀測人員在每個浮標到達中斷面前，將儀器的照準線瞄準并跟蹤浮標，當收到浮標到達中斷面的信號后，及時制動儀器，記錄當前測量的角度，根據(jù)該站的浮標公式計算出相應的起點距。

黃委中游水文局大部分水文站采用平板儀觀測起點距，通過測量基線長度、偏轉角度等值，然后進行人工計算［2］。

人工計算速度慢效率低，而且還容易由于計算人員的疏忽產(chǎn)生錯誤，影響水文測驗的精度。

為了提高測驗精度，黃委中游水文局 2015 年將所有浮標起點距觀測儀器更新為電子經(jīng)緯儀，并開發(fā)了起點距自動計算器。

1　設計思路

用經(jīng)緯儀的通訊線將經(jīng)緯儀和起點距自動計算器連接到一起后，打開經(jīng)緯儀和計算器的電源開關，計算器將不停地自動向經(jīng)緯儀發(fā)送查詢指令，經(jīng)緯儀收到查詢指令后將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算器，計算器上會顯示出此時的起點距數(shù)值，起點距自動計算器與電子經(jīng)緯儀連接外觀所示。調整經(jīng)緯儀的角度，計算器上顯示的數(shù)值也會跟著自動改變。

2　系統(tǒng)組成

起點距自動計算器是由 AT89S52 芯片，TM1638，Max232，CAT24C08，以及 PCB 板和電容電阻等組成。AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用［3］；TM1638 專用電路內(nèi)部集成有 MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅動、鍵盤掃描等電路。可同時實現(xiàn)顯示和按鍵掃描功能；Max232 芯片特別適合電池供電系統(tǒng)，這是由于其低功耗管段模式可以將功耗減小到 5 μW 以內(nèi)。

電腦串行口的數(shù)據(jù)和電子經(jīng)緯儀測得的數(shù)據(jù)經(jīng)串行接口 RS-232 輸入并經(jīng)過 MAX232 轉換信號電平后，傳輸?shù)?AT89S52 芯片。用戶將用戶程序編寫入 8 kB 位的串行 CMOS E2PROMAT24C08，傳輸?shù)?AT89S52 的數(shù)據(jù)經(jīng)用戶程序的執(zhí)行運算，處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LED 驅動控制專用電路 TM1638，TM1638 驅動共用數(shù)碼管顯示計算結果，設計流程如圖 1 所示。

圖1　設計流程圖

3　系統(tǒng)應用

3.1浮標測驗原理

浮標測驗原理如圖 2 所示，浮標從上游順流而下，G 點為浮標經(jīng)過中斷面時位置，D 為當前浮標起點距［4］。基線布設位置（基線點是否與 0 點樁重合）、基線與斷面垂直與否等情況不同，浮標起點距計算采用公式為：D = C + L tan （ α + β） ，

式中：0 為起點距 0 點；E 為基線點與斷面線垂足；F 為后視點；G 為浮標流經(jīng)中斷面位置；C 為基線點至 0 點的距離；L 為基線長度；D 為 G 點的起點距；S 為基線點（經(jīng)緯儀觀測位置）。

圖2　浮標測驗原理圖

在使用浮標起點距自動計算器過程中，要正確測量起點距必須首先根據(jù)各個不同水文站的具體參數(shù)，通過串行通訊口修改公式中的基本數(shù)值，介紹如下：

1）先將起點距自動計算器使用串行通訊電纜與任意一臺具有串行通訊口的計算機連接，若計算機無串行通訊口，可使用 USB 轉 RS-232 電纜連接。

2）啟動串口通訊程序（如串口調試助手和串口大師等），使用如下通訊參數(shù)設置：波特率，1 200；數(shù)據(jù)位， 8 位；停止位，1 位；校驗位，無校驗。

3）向起點距自動計算器發(fā)送如下格式指令：C + XXXXXX 或 L + XXXXXX，即對應參數(shù)的大寫字母后添加上“+”或“-”號，再加 6 個數(shù)字，其中 C，L 必須大寫，X 表示數(shù)字，前 3 位對應整數(shù)部分，后 3 位對應小數(shù)部分，數(shù)據(jù)位數(shù)不足時補 0（整數(shù)在前補 0，小數(shù)在后補 0）。如輸入 C + 123456，表示修改后的 C 對應數(shù)值是 123.456 m，點擊“發(fā)送”按鈕，計算器上會顯示出 123.4。在下面的對話框中輸入 L234567 表示修改后的 L 的數(shù)值為 234.567 m，點擊“發(fā)送”按鈕后，計算器上會顯示 234.5。輸入要修改的數(shù)據(jù)后數(shù)碼管會自動顯示，即 3 位整數(shù)和 1 位小數(shù)，但是在計算器內(nèi)部真正參加運算的是123.456 和 234.567 m。

3.2系統(tǒng)連接

使用經(jīng)緯儀自帶的通訊電纜連接起點距自動計算器和經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀一側是圓孔插頭，計算器一側是 9 針 D 型插頭。

起點距自動計算器和經(jīng)緯儀正確連接后，打開側面的開關即可正確工作。如經(jīng)緯儀已啟動，計算器將不停地自動向經(jīng)緯儀發(fā)送查詢指令，經(jīng)緯儀收到查詢指令后將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算器，計算器上會顯示出此時的起點距數(shù)值。調整經(jīng)緯儀的角度，計算器上顯示的數(shù)值也會跟著自動調整。

3.3比測試驗

考慮到斷面實際分布情況，將比測次數(shù)規(guī)定為25 次，均勻分布。

通過人工分別操作全站儀和電子經(jīng)緯儀觀測同一固定點測得的起點距進行比測。由于對全站儀和電子經(jīng)緯儀的操作都是人工完成的，但比測點是固定的，可以通過多次測量求平均值的方法來減小人工操作造成的誤差。觀測數(shù)據(jù)如表 1 所示。

通過對表 1 和圖 3 分析，得 R2= 1，即該趨勢線可靠性非常高，即證明該浮標起點距自動計算器計算精度高，結果可靠。

3.4應用情況

在浮標法流量測驗中，通過人工調整經(jīng)緯儀追蹤浮標，浮標到達中斷面時停下電子經(jīng)緯儀，儀器顯示的數(shù)值即為浮標流經(jīng)中斷面的起點距。

與人工計算相比，使用起點距自動計算器可以快速、準確地計算出起點距。由于采用了單片機進行數(shù)據(jù)的處理，不僅很大程度地提高了工作效率，而且提高了測量的精度。本系統(tǒng)從 2015 年汛期在黃委中游水文局所屬水文站開始投入使用，應用效果良好。

表1　XX 站起點距對照表 m

圖3　起點距誤差對照表

4　結語

為解決浮標起點距自動計算的問題，進行了浮標起點距自動計算器的開發(fā)及應用比測分析研究。結果表明：浮標起點距自動計算器計算精度高、結果可靠、操作簡便，值得在開展浮標測驗的水文站推廣應用。

［1］ 朱曉原，張留柱，姚永熙. 水文測驗實用手冊［M］. 北京：中國水利水電出版社，2013: 182-236.

［2］ 黃河中游水文水資源局.黃河中游水文 ［M］. 鄭州：河南黃河水利出版社，2005: 165-207.

［3］ 張平，趙光霞，葛金印. AT89S52 單片機基礎項目教程［M］. 北京：北京理工大學出版社，2012: 68-110.

［4］ 馬慶云. 水文勘測工［M］. 鄭州：黃河水利出版社，2011: 152-157.

Research on Automatic Calculator of Buoy Distance from Starting Point

ZHANG Yusheng， CHEN Quanzhi
（Middle Reach Hydrology and Water Resources Bureau， Yellow River Conservancy Commission，Jinzhong 030600， China）

The Automatic calculator of buoy distance from starting point can automatically calculate the buoy starting point from the position of electronic theodolite tracking measurement， and display by LED. Compared with artificial calculation， because of using a microcomputer for data processing， it uses the automatic calculator of the distance can calculate a distance of buoy from starting point quickly and accurately. It not only improves the work efficiency， but also improves the measurement accuracy.

buoy； starting point； automatic calculation； test

P335+.1

A

1674-9405（2016）04-0045-03

10.19364/j.1674-9405.2016.04.010

2016-04-05

張玉勝（1971- ），男，山西晉城人，高級工程師，主要研究方向為水文水資源。