基于双音频信号控制的水文缆道测沙自控仪的研制

康修洪，李先哲，肖 英，朱 兵

(1.吉安市水文局，江西，吉安 343000； 2.井冈山大学电子与信息工程学院，江西，吉安 343009)

我国是一个多沙河流的国家，泥沙问题较为突出。在水利水电工程建设、泥沙运动规律和土壤侵蚀研究、水土流失治理等方面，河流泥沙的测验是一个十分重要的课题[1-2]。随着我国社会经济的快速发展，对水文水资源信息的采集、传输、处理和水文预测预报智能化提出了更高要求。近年来，雨量和水位自动采集、传输、处理已基本实现，流量和蒸发自动采集仪器设备也有较大发展，而河流泥沙监测仪器设备研究一直无大的突破[3]。

目前，在水文站中普遍使用的自动缆道测流系统均存在进水阀密封、信号控制、与缆道测流系统整合等诸多问题：一是阀门结构不合理，使用中容易锈蚀和被泥沙卡住；二是控制传输过程中，受到缆道运转以及周边环境带来的各种信号干扰，阀门的开启无法正确控制，影响采样结果[4-5]；三是在岸上控制时无法知道阀门的开启状态；四是目前使用的仪器为单根管径采样，在完成一个采样周期后，关闭阀门到下一个采样周期阀门打开前，破坏了管中水流状态，并在管中会残余泥沙，影响最终含沙量的检测精度。为解决上述问题，本文开展了测沙自控仪的研制。

1 缆道测沙自控仪整体设计

基于嵌入式系统的缆道水文数据传输系统由主控制台端和沉入水下的泥沙采样端两部分组成，系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图Fig.1 System composition block diagram

主控制台端以ARM9 S3C2401处理器为核心，岸上双音频通讯模块、液晶显示模块、键盘、缆车控制、与 PC机的接口共同组成。泥沙采样端以89C52单片机为核心，水下双音频通讯模块、双管双稳态水样采集阀、流量计、位置传感器组成。ARM9 S3C2401处理器负责发送控制命令、记录和和显示各项测验数据，键盘用于调整采样时间参数，缆车将装有泥沙采样端的铅鱼送入指定的水中位置；89C52单片机负责接收采样时间、控制双管双稳态水样采集阀开启和关闭，位置传感器提供水面信号、河底信号，流量计提供河水瞬时流速信号；岸上双音频通讯模块和水下双音频通讯模块负责控制信号和数据信号的发送和接收。

2 双管双稳态水样采集阀门设计

针对阀门结构不合理，使用中容易锈蚀和被泥沙卡住的问题，设计了双管双稳态水样采集阀门。

双管双稳态水样采集阀门按照河流泥沙测验规范要求设计，通过水文缆道的水平和垂直运行准确定位，用双音频信号无线信号控制器控制水下采样器阀门的开关，测取断面各位置，不同水深的水样，为准确分析出断面含沙量及输沙率提供保证。设计制作的双管双稳态水样采集阀门，已获中国实用新型专利(申请号：200920142120.X)，如图 2所示。

图2 双管双稳态水样采集阀门结构图Fig. 2 Double tube double steady water samples the valve structure

该阀门由顶座(1)，弹簧(2)，压杆 1(3)，压杆2(4)，铰链(5)，穿橡胶管圆孔 1(6)，穿橡胶管孔 2(7)，铁(8)，线圈1(9)，线圈2(10)，定向连接器1(11)，定向连接器 2(12)，底座(13)，滚珠(14)，状态传感器(15)组成。由于水道采用Y型双管，接收到控制端的采样信号后，设备打开采样器管道，关闭另一管道，含沙水流流入采样瓶或皮囊，采样结束时发送关闭信号，设备打开通向河流下游管道，关闭采样管道，含沙水流流入河内，管中基本没有残留积沙，水流接近天然流速，较少干扰天然流态。同时，状态传感器将设备工作状态实时直观地显示在控制端。

3 缆道测沙自控仪控制系统

3.1 信号传输

本系统有水面位置信号、河底到达位置信号、采样器工作控制信号、流速数据信号等。现有的信号传输方式有脉冲方式、无线通讯方式、单音频方式。脉冲方式是一种时域处理方法，它用脉冲的个数来表示号码数字，遇到雷电，洪水，暴雨等环境，可靠性差；无线通讯方式的功率要求大，受体积的影响，使用的电池容量有限，使用时间不够完成 1次完整取样，且天线必须露出水面，一般不使用；单音频方式只有一种频率的信号，对于一般性的干扰就容易造成误判[6-8]。因此，本仪器采用双音频通讯方式。

为了满足500-1000 m河宽通讯要求，本仪器采用500-2000 Hz范围的音频频率，采用MT5087双音频编码芯片和MT8870双音频解码芯片作为双音频信号的发生器与接收器，完成信号的传输。将音频的高端和低端搭配，采用4×4的矩阵编码，共有16种组合，每种组合代表一个数字。

3.2 处理器的选择

岸上系统处理器选STC89C58RD，水下系统处理器选89C52单片机。在传输过程中信号需要放大，选用 SPY0030A IC音频功率放大器将双音频信号放大。在数据显示和人机交互界面方面采用具有多功能 LCD1602液晶显示屏，在数据的保存方面采用U盘读写模块将数据从单片机中读入U盘并自动建立Excel文件；同时还能增加和计算机对接的功能，将数据直接输入到计算机中进行控制，升级空间非常大，具有很强的人性化设计。

3.3 接口扩展芯片的选择

选择74HC573D锁存器来扩展单片机的I/O端口，由于单片机本身的24个I/O端口不够用，因此用2块74HC573D使接口扩展至40个，这样才能满足系统要求，此款锁存器具有低功耗，低成本，易用，易控制等优点。基于多方面的综合考虑和分析，选择74HC573D作为接口扩展芯片。

3.4 人机交互显示模块

人机交互功能对于产品非常重要，是体现人性化设计的一个重要方面，其中显示和控制是主要体现。在显示方面采用 LCD1602液晶作为数据和信息的实时显示界面，在控制方面采用键盘来输入控制信号，而单片机的实时程序检测键盘的信号。因此用键盘操作给整个系统带来了更为人性化的理念。

3.5 水面、河底失重信号

水面信号是指流量监测装置下到水面的瞬间，提供给岸上控制端计算装置在水下位置的起点信号。该水面信号由水介质接触开关信号完成，单片机的P1.0脚和正极电源两个极板，单片机设计成中断状态，当铅鱼入水时，两接触点导通，即给单片机P1.0脚一个高脉冲，单片机进入服务程序，发出“入水”信号；出水时，极板断开，即给单片机P1.0脚一个低脉冲，单片机进入服务程序，发出“出水”信号。

缆道测沙自控仪双音频通信控制系统如图3所示。

图3 双音频通信控制系统电原理图Fig. 3 Double audio communication control system electric schematic diagram

4 工作原理

从节约和实用的角度考虑，拟利用缆道钢丝循环索构成监测数据的传输回路，最大限度地利用现有设备，如图4所示。

图4缆道基本结构图Fig.4 Cableway basic structure

其工作过程是，将包含流量计在内的流量监测装置安放在缆道钢丝循环索上的铅鱼中运行，运行到预先设计的垂线位置后放入河水中，入水瞬间将产生的下水信号传输到岸上控制接收端，当装置按要求下到一定水深时，岸上控制接收端的单片机发出控制信号，该控制信号是一种代表数字信号的双音频信号，控制信号通过水介质、大地和缆道钢丝循环索传送，水下流速监测记录端接收到该开始工作的控制信号，按照要求开始记录流量计转动的个数，单片机将该数据转换成代表数字信号组合的双音频信号，使不同组合的音频信号同样通过水介质、大地和缆道钢丝循环索传送，传回控制点，接收到的信号被还原成流速数据，按照公式计算出流量[9]。

5 系统软件设计

岸上控制终端软件流程图如图5所示，水下数据采集终端软件流程图如图6所示。

图5 岸上控制端流程图Fig.5 Shore control flow chart

6 采样方法与结果

6.1 采样方法

首先，在河道中取任一断面采样，根据要求将断面分为若干条垂线，每两条垂线间的面积为部分面积，由相邻两条垂线上采样点按设定时间采集。本仪器各垂线的起点距和水深的测量是由水文缆道测距仪实现的，水文缆道测距仪、光电传感器配合水文绞车实现了测流铅鱼的定位系统。水文缆道测距仪由起点距测量和水深测量两部分组成，起点距、水深传感器均由光电增量编码传感器直接感应循环轮和起重轮。为避免绳索感应方式的打滑故障，传感器与绞车转动轴采用直接柔性相联方式，使传感器与绞车传动轴同步转动。使用时先初步算出绳长系数（一般转轮直径为30 cm，测出绞车转轮周长，由传感器每转所产生的信号数为 200，可知绳长系数为 3.14*30/200=0.472），并设置到测距仪的起点距或入水深对应的存储单元中，以期可直接算出绳索长度，从而确定起点距及水深参数。

图6 水下控制端软件流程图Fig.6 Underwater flow chart of control software

装载本采样仪的铅鱼水平垂直位置是由移动的绳长确定的。光电编码信号与绳长的转换系数由式（1）和（2）确定：

由于缆道横跨于断面上的主索总有一定的弧度，如果以光电编码器光电信号记录的绳长作为实际起点距与理论上要求的起点距总有一定误差。

图7 起点距图Fig.7 Starting Point Distance Map

如图7所示，起点距使用经纬仪测出了理论数值 Y1、Y2、Y3……Yi。由于主索有垂弧度，仅用绳长测出了实际X1、X2、X3……Xi。本仪器为此设计了垂弧度自动修正技术方案，即将若干段线用时测法求出每段的修正系数，保存在仪器存储器中，实际使用时，以期自动识别每段修正系数，测出精确的起点距。

一旦系数确定，使用时仪器自动按 Yi=Ki*Xi计算出起点距。设起点距的总长为L，则可计算出L值为：

在设计中，为测距仪设计了自动停车的功能，也即当测距仪记录的水平起点距与设定垂线起点距相等以及铅鱼入水深达到测点位置时，测距仪自动向交流变频调速仪系统发出停车信号，这样可大大提高测验的效率和准确性。

整个断面总流量，即由相邻两垂线上的平均流速与部分断面面积乘积而得到部分流量，而各部分流量之和即为断面间总流量。如图8所示。

图8 测流断面示意图Fig.8 Measuring Flow Cross-Section Diagram

设：第 i条垂线与第 i-1条垂线间的距离为：Di- Di-1；第i条垂线上的水深为： Hi，则第i个部分断面面积为：Si = 12(Di-Di-1)(Hi+Hi-1)。

第i条垂线上各测点的平均流速为Vi，则断面总流量Qi由式（4）求得：

6.2 采样效果

将该仪器在江西省上沙兰、赛塘水文站采用上述部分面积和部分流速计算法进行采样。依据“河流悬移质泥沙测验规范（GB50159-92）”国家标准，使用管径4 mm的采集瓶采样，效果如下表所示。

表1 水文站采样结果表Table 1 Sampling results hydrological stations

7 结论

运行表明，当河流流速小于5 m/s和含沙量小于30 g/m3时，管嘴进口流速系数在0.9～1.1之间的保证率均大于75%，缆道测沙自控仪能按照河流泥沙测验规范要求顺利采样[10-12]。经过双管双稳态水样采集阀门与铅鱼有机结合，合理布置进排水管线和通讯线路，水文缆道的水平和垂直运行准确定位，采用双音频信号传输可靠的控制水下采样器阀门的开关，测取断面各位置，不同水深的水样，并及时发回阀门开关状况信号。双管双稳态水样采集解决了关闭状态下进水管淤积泥沙问题，同时阀门不必进行全密封，还实现了水文监测数据岸上至水中和水中至岸上的双向控制传输。该仪器提出的泥沙采样方法是水文泥沙数据测验中的一种新方法。实践证明该系统稍加改进还可用于船测站取沙，除能在水文测验中得到广泛应用外，还能在水土保持，水环境监测等项目中得到广泛应用。

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