浮标起点距自动计算器应用研究

张玉胜，陈泉志

（黄委中游水文水资源局，山西 晋中 030600）

浮标起点距自动计算器应用研究

张玉胜，陈泉志

（黄委中游水文水资源局，山西 晋中 030600）

浮标起点距自动计算器可以自动计算电子经纬仪跟踪测量的浮标起点距位置，并通过 LED 数码管显示。与人工计算相比，由于采用单片机进行数据的处理，使用起点距自动计算器可以快速、准确地计算出浮标起点距，提高工作效率和测量的精度。

浮标；起点距；自动计算；测验

0　引言

浮标法测流是指通过测定水中的天然或人工漂浮物随水流运动的速度，结合断面资料及浮标系数来推求流量的方法［1］。其中一项主要内容是测定浮标在中断面上的位置，即测定浮标流经中断面时的起点距。通常采用平板仪、经纬仪或全站仪测角交会法测定。

仪器观测人员在每个浮标到达中断面前，将仪器的照准线瞄准并跟踪浮标，当收到浮标到达中断面的信号后，及时制动仪器，记录当前测量的角度，根据该站的浮标公式计算出相应的起点距。

黄委中游水文局大部分水文站采用平板仪观测起点距，通过测量基线长度、偏转角度等值，然后进行人工计算［2］。

人工计算速度慢效率低，而且还容易由于计算人员的疏忽产生错误，影响水文测验的精度。

为了提高测验精度，黄委中游水文局 2015 年将所有浮标起点距观测仪器更新为电子经纬仪，并开发了起点距自动计算器。

1　设计思路

用经纬仪的通讯线将经纬仪和起点距自动计算器连接到一起后，打开经纬仪和计算器的电源开关，计算器将不停地自动向经纬仪发送查询指令，经纬仪收到查询指令后将数据发送到计算器，计算器上会显示出此时的起点距数值，起点距自动计算器与电子经纬仪连接外观所示。调整经纬仪的角度，计算器上显示的数值也会跟着自动改变。

2　系统组成

起点距自动计算器是由 AT89S52 芯片，TM1638，Max232，CAT24C08，以及 PCB 板和电容电阻等组成。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 系统可编程 Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用［3］；TM1638 专用电路内部集成有 MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。可同时实现显示和按键扫描功能；Max232 芯片特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗管段模式可以将功耗减小到 5 μW 以内。

电脑串行口的数据和电子经纬仪测得的数据经串行接口 RS-232 输入并经过 MAX232 转换信号电平后，传输到 AT89S52 芯片。用户将用户程序编写入 8 kB 位的串行 CMOS E2PROMAT24C08，传输到 AT89S52 的数据经用户程序的执行运算，处理后的数据传输到 LED 驱动控制专用电路 TM1638，TM1638 驱动共用数码管显示计算结果，设计流程如图 1 所示。

图1　设计流程图

3　系统应用

3.1浮标测验原理

浮标测验原理如图 2 所示，浮标从上游顺流而下，G 点为浮标经过中断面时位置，D 为当前浮标起点距［4］。基线布设位置（基线点是否与 0 点桩重合）、基线与断面垂直与否等情况不同，浮标起点距计算采用公式为：D = C + L tan （ α + β） ，

式中：0 为起点距 0 点；E 为基线点与断面线垂足；F 为后视点；G 为浮标流经中断面位置；C 为基线点至 0 点的距离；L 为基线长度；D 为 G 点的起点距；S 为基线点（经纬仪观测位置）。

图2　浮标测验原理图

在使用浮标起点距自动计算器过程中，要正确测量起点距必须首先根据各个不同水文站的具体参数，通过串行通讯口修改公式中的基本数值，介绍如下：

1）先将起点距自动计算器使用串行通讯电缆与任意一台具有串行通讯口的计算机连接，若计算机无串行通讯口，可使用 USB 转 RS-232 电缆连接。

2）启动串口通讯程序（如串口调试助手和串口大师等），使用如下通讯参数设置：波特率，1 200；数据位， 8 位；停止位，1 位；校验位，无校验。

3）向起点距自动计算器发送如下格式指令：C + XXXXXX 或 L + XXXXXX，即对应参数的大写字母后添加上“+”或“-”号，再加 6 个数字，其中 C，L 必须大写，X 表示数字，前 3 位对应整数部分，后 3 位对应小数部分，数据位数不足时补 0（整数在前补 0，小数在后补 0）。如输入 C + 123456，表示修改后的 C 对应数值是 123.456 m，点击“发送”按钮，计算器上会显示出 123.4。在下面的对话框中输入 L234567 表示修改后的 L 的数值为 234.567 m，点击“发送”按钮后，计算器上会显示 234.5。输入要修改的数据后数码管会自动显示，即 3 位整数和 1 位小数，但是在计算器内部真正参加运算的是123.456 和 234.567 m。

3.2系统连接

使用经纬仪自带的通讯电缆连接起点距自动计算器和经纬仪，经纬仪一侧是圆孔插头，计算器一侧是 9 针 D 型插头。

起点距自动计算器和经纬仪正确连接后，打开侧面的开关即可正确工作。如经纬仪已启动，计算器将不停地自动向经纬仪发送查询指令，经纬仪收到查询指令后将数据发送到计算器，计算器上会显示出此时的起点距数值。调整经纬仪的角度，计算器上显示的数值也会跟着自动调整。

3.3比测试验

考虑到断面实际分布情况，将比测次数规定为25 次，均匀分布。

通过人工分别操作全站仪和电子经纬仪观测同一固定点测得的起点距进行比测。由于对全站仪和电子经纬仪的操作都是人工完成的，但比测点是固定的，可以通过多次测量求平均值的方法来减小人工操作造成的误差。观测数据如表 1 所示。

通过对表 1 和图 3 分析，得 R2= 1，即该趋势线可靠性非常高，即证明该浮标起点距自动计算器计算精度高，结果可靠。

3.4应用情况

在浮标法流量测验中，通过人工调整经纬仪追踪浮标，浮标到达中断面时停下电子经纬仪，仪器显示的数值即为浮标流经中断面的起点距。

与人工计算相比，使用起点距自动计算器可以快速、准确地计算出起点距。由于采用了单片机进行数据的处理，不仅很大程度地提高了工作效率，而且提高了测量的精度。本系统从 2015 年汛期在黄委中游水文局所属水文站开始投入使用，应用效果良好。

表1　XX 站起点距对照表 m

图3　起点距误差对照表

4　结语

为解决浮标起点距自动计算的问题，进行了浮标起点距自动计算器的开发及应用比测分析研究。结果表明：浮标起点距自动计算器计算精度高、结果可靠、操作简便，值得在开展浮标测验的水文站推广应用。

［1］ 朱晓原，张留柱，姚永熙. 水文测验实用手册［M］. 北京：中国水利水电出版社，2013: 182-236.

［2］ 黄河中游水文水资源局.黄河中游水文 ［M］. 郑州：河南黄河水利出版社，2005: 165-207.

［3］ 张平，赵光霞，葛金印. AT89S52 单片机基础项目教程［M］. 北京：北京理工大学出版社，2012: 68-110.

［4］ 马庆云. 水文勘测工［M］. 郑州：黄河水利出版社，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

张玉胜（1971- ），男，山西晋城人，高级工程师，主要研究方向为水文水资源。