PC機(jī)實(shí)時(shí)水位、流速檢測系統(tǒng).docx

1、1995年12月泥葉研究JournalofSedimentResearchPC機(jī)實(shí)時(shí)水位、流速檢測系統(tǒng)Iz_方彥軍趙兵趙旭東J切3/3本文針對(duì)三工模型試股中水位知疽速瀏量需芟.開發(fā)研制了一套基于PC微機(jī)的水位和疏速檢跳系統(tǒng).該系統(tǒng)配套八路跟蹤式tn瑪水位僅、六路光電式和六略電阻式旋漿漢遺傳。葬，經(jīng)試用表明該檢瀏系統(tǒng)具有很好的造用性即抗干擾能力.并且用戶界面友好，是一*具有推廣價(jià)值的三工模型試瞼中必備儀器.關(guān),詢水位、流速、理*系統(tǒng).P匕印鼻京7援夕,在水工、河工、港工模型試驗(yàn)中，經(jīng)常妥對(duì)水位、流速進(jìn)行測試.過去的各種檢測方法，測量的結(jié)果往往需要人工處理數(shù)據(jù)，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力且很容易出現(xiàn)是惜.這些檢

2、測方法,存在下列缺點(diǎn)：1.多用手工進(jìn)行止.多點(diǎn)測量無法同步,3檢測速度慢；4.數(shù)據(jù)處理任務(wù)繁瑣，效率低，5.可靠性差，測量結(jié)果精度低.鑒于上述原因，為了改進(jìn)和提高實(shí)驗(yàn)研究的檢測手段，我們研制了多路水位、流速微機(jī)(PC286)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，僻決了多點(diǎn)水位、流速的檢測及致?lián)幚砗晤}，從而大大提高了測址效率、精度以及可靠桂.二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)主機(jī)采用PC-286機(jī)，配置有單色顯示器,打印機(jī)(EPSON-LQ1600K),鍵盤(101鍵)，及12路流速傳感器和8路水位儀.系統(tǒng)以PC286機(jī)為核心，通過擴(kuò)展總線接口的方式，與6路電阻式旋漿流速傳感器、6路光電式旋漿流速傳感器、8路編碼式跟蹤水位儀相聯(lián)接

3、,同時(shí)配備多功能的軟件，從而實(shí)現(xiàn)了水工、港工、河工模型試驗(yàn)中流速、水位的多點(diǎn)同步自動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)處理、打印報(bào)表等功能.考庖到實(shí)際使用中，用戶往往將一根流速傳感翁分時(shí)地用于多點(diǎn)的此速測量，這就蔓求儀器能反映不同測點(diǎn)號(hào).為此，流速測量的設(shè)計(jì)具有下列特點(diǎn)"1能用碼盤設(shè)量測點(diǎn)號(hào)0一99；(2)能用開關(guān)狀態(tài)(ON/OFF)來設(shè)置流速儀是否在線工作；(3)可同步測量j(4)通過發(fā)光二極管可知每路流速儀的工作狀況.在軟件結(jié)構(gòu)上，用戶可以通過菜單選擇和設(shè)置所有的功能項(xiàng)，如通過軟件來控制某通道的狀態(tài)以礴定是否溜關(guān)及濯*次數(shù)，設(shè)置打印報(bào)表，以及通過鍵盤輸入傳感器率定參數(shù)等.三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1

4、所示.ffil系筑結(jié)構(gòu)據(jù)圖SketchofthemeMurement（一）微機(jī)的選擇考虛到目前實(shí)驗(yàn)室及科研單位的通用機(jī)型為PC系列機(jī)，為使本系統(tǒng)具有通用性、可養(yǎng)容性，以及數(shù)據(jù)處理所需的容:等，并兼顧辱濟(jì)指標(biāo)，我們選用PC286機(jī)作為系統(tǒng)核心，以便于用戶進(jìn)一步開發(fā)、維護(hù)和使用.*（二）水位儀的選擇目前用于水位測:的傳感器很多,但從使用的條件、測:范圍、可靠性、精度及成本等方面綜合考虛，我們選用了南京電子設(shè)備廠的編碼式跟蹤水位儀.該儀器能自動(dòng)跟蹤水位的變化,并將水位的變化經(jīng)編碼碼盤轉(zhuǎn)化為十一位二進(jìn)制循環(huán)碼（02047）輸出.該儀器的主要技術(shù)性能如下I（1）檢測范圍I。40cm$（2）輸出信號(hào)，十一

5、位二進(jìn)制循環(huán)碼；（3）輸出形式，并行開關(guān)接點(diǎn)式，與儀器無電聯(lián)系；4最大眼蹤速度；55cm/s.儀器輜出循環(huán)碼的優(yōu)點(diǎn)在于：任何一個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換到其相鄰的數(shù)時(shí)，代碼的各位數(shù)中僅有一位發(fā)生變化，從而消除了編碼的非單值性，提高了測童的可靠性.（=）流速傳感器的選擇皿為了使研制的系統(tǒng)適合于清水模型和渾水模型兩種情況的流速測量，我們選用了光龜式和電阻式兩種旋漿流速傳感器.這類傳感器種類很多，但從實(shí)用性和可靠性方面媒合來看，在清水中測匱我們選用了南京水利科學(xué)研究院研制的光電式旋漿流速傳感器，它具有前置電路簡單可傳感器間電信號(hào)干擾小等優(yōu)點(diǎn).基于同樣的原因，在渾水中測量，我們選用了長江水利科學(xué)研究院研制的電阻式旋漿流

6、速傳感器.（四）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.擴(kuò)展總線/譯碼設(shè)計(jì)本系統(tǒng)擴(kuò)展總線接口設(shè)計(jì)成一個(gè)接口卡形式，以便于進(jìn)行安裝和調(diào)試.接口卡由一片2輸入4正與非門（74LS00）、一片6倒相器（74LS04）、一片二輸入四正或非緩沖器74LS28）、20片八輸入正與非門74LS30）、二片八入緩沖器（74LS244）、一片八D鎖存器（74LS373）等組成.譯碼器采用74LS154四線十六選一譯碼器.其電路圖如圖2所示.圖2擴(kuò)展總線接口電路圖Interfaceoftheextendedbus當(dāng)PC微機(jī)向端口寫數(shù)時(shí)，其地址選擇信號(hào)經(jīng)譯碼后選中輸出鎖存器74LS373,如果沒有重新對(duì)其操作,信息便始終保存在那里.此信號(hào)

7、通過總線插座DB25送到十六選一譯碼器74LS154上，就會(huì)使74LS154的某一輸出有效,從而選通某一片數(shù)據(jù)輸入緩沖器74LS244,以便PC微:機(jī)通過擴(kuò)展總線讀入數(shù)據(jù).74LS154譯碼后片選信號(hào)分配如下，丫。匕有效，選通8臺(tái)水位瀏量通道中的一個(gè)；兒匕,有效選通12臺(tái)流速儀中某一設(shè)置測點(diǎn)的碼盤（每臺(tái)二個(gè)BCD碼盤,占8個(gè)bit；4y“有效.選通所有流速通道；Y”有效，選通流速通道投入與切除開關(guān)狀態(tài).本系統(tǒng)有8路水位儀，全部選用南京電子設(shè)備廠的編碼跟蹤式水位儀，鑒于該水位儀的特點(diǎn)及測量的要求，儀器輸出為并行十一位二進(jìn)制循環(huán)碼，其編碼信號(hào)通過排電阻及2片74LS244輸入緩沖器接到擴(kuò)展數(shù)據(jù)總線

8、上,數(shù)字邏輯采用正邏輯方式.3.流速測量電路基于測量對(duì)象的不同，分清水流速和渾水流速兩種.由于所選擇的傳感器不同，故其前置電路也不相同，在清水中流速測量選用的是南京水科院生產(chǎn)的光電式旋漿流速傳感器.其前置電路如圖3所示.其原理為利用時(shí)基電路NE555將傳感器輸出的信號(hào)整形為矩形波,然后再將該信號(hào)送光電耦合器TLP521-4,再送入以74LS123為核心構(gòu)成的調(diào)脈寬電路，供微機(jī)采集之用.同時(shí)輸出信號(hào)又送至0C門74LS06,驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，用以表明測量通道的工況，便于傳感器的率定、維修和調(diào)試.由集成塊LM317組成的恒漣源電路W供給龜珠所需電源，以消除電壓法供電豹電珠光S3清水流速測量前量電

9、路圖Prr-circuitforcleanwuterflowmeasurement強(qiáng)的影響,并延長電珠使用壽命.在渾水中流速測屋采用的是長科院生產(chǎn)的電阻式旋漿流速傳感器.其電路框圖如圖4.它由集成運(yùn)放LM324.NE555等器件構(gòu)成，LM324內(nèi)含4個(gè)運(yùn)放A1.A2M3,和A4.運(yùn)故與阻容元件構(gòu)成文氏正弦波振蕩器.振蕩頻率為5kHZ左右，為穩(wěn)定輸出幅度，運(yùn)放彳2工作為緩沖級(jí)，它的主要負(fù)載為變壓器及傳感器的極間電阻當(dāng)傳感器接入時(shí)，導(dǎo)致變壓器輸出一調(diào)幅波,經(jīng)濾波解調(diào)出與極間電阻變化頻率一致的電壓信號(hào),因其信號(hào)甚為微弱，送入運(yùn)放熱3,人4進(jìn)行放大，并利用NE555進(jìn)行整形，輸出脈沖信號(hào).供微機(jī)采集用

10、PC岫電名圖4渾水流速測電路框圖CircuitdiagramformuddywaterflowTncsurcmcnt在實(shí)際的測量中，考慮到各路傳感器間輸出信號(hào)的干擾問題噪聲，本設(shè)計(jì)采用了：1光耦合的信號(hào)傳輸方式，使得信號(hào)與信號(hào)，傳感器與主機(jī)完全分開，在實(shí)際測量中大大提高了河重的可靠性及溜量精度；2獨(dú)立電源供電，保證各通道間地線獨(dú)立.四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）主控程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主控軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化,各種測量參數(shù)設(shè)定，測崖儀器的投入與切除等，并利用兩級(jí)菜單的方式，方便實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話.同時(shí)還可按一定格式顯示打印出測量結(jié)果及報(bào)表等.（二）水位測量模塊由系統(tǒng)的裘件設(shè)計(jì)我們知道.水位數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是將水

11、位僅輸出的11位二進(jìn)制tt環(huán)砰轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制碼然后進(jìn)行處理并顯示.由于PC286機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用8位數(shù)據(jù)傳輸方式因此11位二進(jìn)制循環(huán)碼應(yīng)分兩次讀取t低8位；匕=7尸(爵7301)高3位：HuINP(3300)ANDH07為了使高低位測量數(shù)據(jù)同時(shí)性，在硬件上我們已將8位數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展為16位數(shù)據(jù)總線,而該16位數(shù)據(jù)總線的頓存是在同一時(shí)刻完成的.然后，將HL循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換為二進(jìn)碼然后再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)數(shù).最后針對(duì)傳感器安裝高程換算水位值.(三) 流速測量模塊旋漿式流速傳感器測童流速的關(guān)鍵在于測出旋漿的轉(zhuǎn)速，也即測出傳感輸出僖號(hào)的頻率.其流速則由計(jì)算公式V=(AXN)+b+6求得，這里N為T時(shí)間內(nèi)傳鐳輸出的脈

12、沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，當(dāng)傳感器的系數(shù)人、與給定時(shí)，即可算出流速值.頻率的測方法很多，但由于流速傳感器輸出的豚沖頗率不是很高，一般小于100Hz,因此可采取測高低電平跳變的方法來測頻,總體方法I首先調(diào)用系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定定時(shí)初值為TlTIMER.然后讀入流速通道的數(shù)據(jù)中的某一位，與前次比較，判斷是否有跳變出現(xiàn)，如有則計(jì)數(shù)器加1,否則進(jìn)入下一循環(huán)處理.當(dāng)一次循環(huán)測試完畢后，再次調(diào)用系統(tǒng)時(shí)鐘做TIME-T.運(yùn)算，判斷是否測量時(shí)間到,如時(shí)間到則終止循環(huán)去處理測量結(jié)果，否則繼續(xù)，直至屋時(shí)時(shí)間到.記下每一路的計(jì)數(shù)值N'G-1,2,3.4,5,6，其頻率則為N-N'./2.五、結(jié)語通過一年多研制和水工模型

13、試驗(yàn)表明，我們所研制的多路水位、流速微機(jī)檢演系統(tǒng),可滿足常規(guī)性清水和渾水模型試驗(yàn)的要求,實(shí)現(xiàn)水位和流速的快速、高效以及滿足一定精度要求的測會(huì).同時(shí)裝置在抗干擾設(shè)計(jì)以及實(shí)用性上均可滿足試驗(yàn)研究要求.此外，裝置在用戶界面、數(shù)據(jù)文件接口方面做了較多的工作，易于用戶所接收參璀.文獻(xiàn)1J驚明才等,光纖式直讀淀速儀.僅器位衰與工業(yè)自動(dòng)化-No.1,1987.23王孝棟等，多點(diǎn)流速流向藍(lán)瀚儀.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào).No3.19873LinearDatabook,NationalSemiconductorCorporationJune,】982Acomputerbasedwaterlevelandwaterf

14、lowreal-timemeasurementsystemFangYanjunZhaoBingZhaoXudong(WuhanUntxcrhfy”HydraulicEltctncEngrfiefrittg)AbstractInthispaper(acomputerbasedwaterlevelendwaterflowreal-timemeasurementsystemformodeltestinhydraulic,riverandharbourengineeringswaspresented.Thissystemprovides8channelsofdynamicwaterlevelmeter

15、,6channelsofphotoelectricitypropellerand6channelsofresistancepropellerwaterflowmeter.Hydraulicmodeltestsshowthatthisisapowerfulmeasurementsystem.Keywordswaterleveltflowvelocity,measurementsystem.新書介紹明渠挾沙水流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)和統(tǒng)計(jì)規(guī)御由中國水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所胡春宏博士和清華大學(xué)水電系惠遇甲敦授痍寫的專3H明渠挾沙水流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)和統(tǒng)計(jì)規(guī)倬）一書系統(tǒng)地網(wǎng)述了作者近年來在明渠挾沙水流運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律方

16、面的研究成果，線書以大,實(shí)測資料為基礎(chǔ),通過采用力學(xué)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的研究方法，對(duì)明渠水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的確定性的隨機(jī)性規(guī)律進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究全書共分六章,28萬字.第一章重點(diǎn)介紹了二維均勻素流流速分布、曹切力分布和阻力規(guī)律，及寬、窄明渠的流速分布和阻力規(guī)律.第二章重點(diǎn)研究了明渠邊壁對(duì)水流流速分布和阻力系數(shù)等的影響及邊壁校正方法.第三章分析了明渠挾沙水流的隨機(jī)特性.第四章探討了明渠挾沙水流的阻力規(guī)律.第五章著重分析了近底流區(qū)內(nèi)推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的機(jī)理及其力學(xué)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律.第六章對(duì)懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其力學(xué)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了研究.在全書的最后為兩個(gè)附錄其中附錄一詳細(xì)介紹了高速攝影技術(shù)在泥沙研究中的應(yīng)用,附錄二則給出了作者利用高速攝影技術(shù)測量得到的系統(tǒng)的既移運(yùn)動(dòng)資料.本書可供從事泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變等新城研究工作的科技人員.以及大專院校有關(guān)專業(yè)的師生參