水文自动化测流遥控仪研制

1、279 水文自动化测流遥控仪研制 李德贵1，陶金荣2 （1.黄河水利委员会水文局，河南郑州 450004； （2.黄河水利委员会河南水文水资源局，河南郑州 450004） 摘 要：水文自动化测流遥控仪是结合测站实际需要开发研制的，仪器选用 ATmega128L 单片机为核心处理器、CC1000 为 无线通讯器件、LCD 点阵液晶为显示器等，电路均选用高性能、低功耗器件设计，满足水文测验规范要求，使测验人员使用 该仪器可以离开测量控制台一定范围内操作测流设备进行水文测验， 既提高流量测验的时效性， 又可保证测验数据的正确性。 文章介绍了仪器的功能与工作原理，给出了仪器的硬件及软件设计方法，并简单介绍了应用情况，对研制同类仪器具有指导 意义。 关键词：自动化；水文；遥控；测 量 1 概述概述 近几年全国水文都进行了现代化测报升级的改造，大部分水文站实现了缆道、测船等自动化流量测验 的电气控制，即安装自动化测量控制台，实现用交流电变频调速控制电动机转动，带动铅鱼、或吊箱等设 备运行，铅鱼、或吊箱上安装测量仪器进行水文测量作业。通过应用后有部分水文站要求测量操作人员能 在离开控制台一定范围内去

2、操作、控制设备、仪器的运行而进行水文测量，这部分水文站有因操作人员距 测点太远、视线不好， 或一些改造站控制台安装位置造成操作人员的视角盲区等影响测量工作。 随着科技、 计算机、通信技术的发展以及测站应用的需求提高，我们为此研制开发了水文自动化测流遥控仪，实现测 验人员能在较远距离遥控操作测量设备来进行水文测量的工作。 2 仪器功能与工作原理仪器功能与工作原理 2.1 仪器功能仪器功能 水文自动化测流遥控仪主要功能为： 能在距控制台 200 米（空旷 500 米）范围内遥控测量设备 运行并进行测流工作；能存储一次完整的全断面法流量测量资料；在遥控仪上可设置有关的测量参数并保 存，起点距、水深、流速信号数等数据信息显示（即在遥控仪的 LCD 显示器上）清晰，在白天日光下及夜 晚都可清晰显示；当用遥控仪控制测量设备运行测流时，在遥控仪电源断电及异常的情况下，控制台能自 行控制测量设备停止运行；遥控仪具有 USB 接口，可以与计算机进行通讯连接，上传测流数据；遥控仪采 用四节标准5号AA/1.2V/2500mAh充电电池， 一次充电后可连续工作40小时以上 （遥控仪： 平均ICL=30mA，

3、 功耗：200mW，按每周测流 4 次，每次测流时间为 1 小时，充电一次可用一月以上，考虑电池的自放电 等因素） ，也可采用标准 5 号电池应急使用。 2.2 系统组成系统组成 水文自动化测流遥控仪是与自动化测量控制台通过无线联络完成测量控制工作的，所以本研制工作还 包含控制台内的接收发射端机部分；为了使存储于遥控仪内的测量数据能在计算机上显示，上传存储、处 理，本研制工作还包含有计算机的应用程序。 2.3 仪器工作原理仪器工作原理 水文自动化测流遥控仪的原理框图见图 1，由单片机、显示器、数据存储、USB 通信、数据调制解调 及无线发射接收、按键输入、电源等部分组成。 控制台内的接收发射端机由无线接收发射、调制与解调、单片机、232 转换接口、电源等部分组成， 见图 2。 无线发射接收数据存储单片机+ _ _按键U S B 通信L _ _ L C D 显示器280 图1：自动化测流遥控仪原理框图 图 2：控制台内接收发射端机原理框图 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 遥控仪电路设计遥控仪电路设计 单片机：采用 ATEML 公司的 8 位高性能、低功耗 CMOS 微处理器 ATm

4、ega128L，是整个自动化测流遥控 仪的核心，用于执行按键判断、接受测验人员的操作指令、进行程序控制、数据处理、数据校验、通讯等。ATmega128L 是基于 AVR RISC 结构，集成有 128K 字节的系统内可编程 Flash、4K 字节的 EEPROM 及 4K 字节的内部 SRAM，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器/计数器，具有独立片内振 荡器的可编程看门狗定时器，芯片为 64 引脚 TQFP 封装形式，对外具有 53 个可编程 I/O 口线等。 图 3 遥控仪按键部分 281 显示器：用于显示起点距、水深、测点位置、流速信号数、测流速历时、测点流速等数据，及测量的 工作状态参数等。显示器用 128*64 图形点阵 LCD 液晶显示器，黄绿底色蓝色字，与 CPU 采用 8 位并行数 据总线通信接口。 存储器：存储程序、测量运行参数和测量数据，用 CPU 内部的 EEPROM 及可编程 Flash。 数据调制解调与无线发射接收：把单片机送来的测量命令、参数以 433M 频率调制后发射给控制台， 并把从控制台发过来的测量命令、数据接收后解调送至单片机处理。

5、电路采用 Chipcon 公司的低功耗 SmartRF 技术单片收发 IC：CC1000。 USB 接口电路：为了方便对自动化测流遥控仪内存储的测流数据进行处理并上传保存、输出，我们特 设计了 USB 接口电路，并开发了 PC 机上的应用程序。 按键部分：采用有凹凸感的轻触薄膜按键，且具有防水功能，各按键的操作具有蜂鸣声响提示，设置 按键可以实现遥控仪的开关机、参数设置、控制测量运行。自动化测流遥控仪按键部分设计如图 3 所示： 电源：为自动化测流遥控仪提供电能，电路主要采用 LM1117-3.3 低压差线性集成稳压器及滤波、保 护等电路组成。 3.2 控制台内接收发射端机控制台内接收发射端机 通讯芯片：一是将接收遥控仪发来的无线信号，对其解调处理后送至单片机；二是将单片机送来的数 据、命令调制后发送给遥控仪，所选电路和遥控仪一致主要为 CC1000 芯片。 单片机：把无线通讯电路送来的数据、命令进行处理后送往控制台，把控制台发来的数据、命令送往 无线通讯电路，单片机仍采用 ATEML 公司的芯片为 8 位高性能、低功耗 CMOS 微处理器 ATmega16L。 接口转换电路：为单片机

6、与控制台间数据通讯而设置的，用于将单片机的 TTL 电平转换为控制台要求 的 RS232 电平，电路芯片为 MAX3232。 电源：为接收发射端机、单片机、接口等电路提供电能。 4 软件设计软件设计 图 4：自动化测流遥控仪的主程序结构图 图 5：测流结束后通过 USB 数据线将测验结果上传至计算机 282 水文自动化测流遥控仪的研制工作程序包含遥控仪程序设计及控制台程序改造、 PC 机上的应用程序设 计等。本文主要介绍测流遥控仪的部分程序设计方法。程序采用 C 设计，并用专用软件编译，借助开发工 具写入 ATmega128L 的片内程序存储器。仪器的按键判断、数据通信与显示等均由单片机按照设计程序进 行，自动化测流遥控仪的主程序结构见图 4，其他部分程序限于篇幅不再给出。 5 应用情况应用情况 自动化测流遥控仪研制完成后，从 2010 年 5 月 1 日到 6 月 30 日期间，在黄河支流洛河上的白马寺水 文站进行了 15 次断面流量比测实验。实验时利用自动化测流遥控仪控制 ELD-4 水文自动化测流系统再控 制重铅鱼运行进行测流，测量数据在自动化测流遥控仪和 ELD-4 水文自动化

7、测流控制台内同时记载保存， 每次测流完毕分别在计算机上运行相应的应用软件，对所保存数据进行处理成标准的流量记载计算成果 表，通过比较二者完全一致，无差错，其各项技术指标均达到设计要求，图 5 为测验结束后通过 USB 数据 线将遥控仪内所存储测量结果上传至计算机处理的图片。随后该成果又分别在黄委系统内的多个水文站应 用，且已推广应用到系统外部分测站， 从成果应用单位的使用情况来看， 自动化测流遥控仪在流量测验中， 可较大地提高流量测验的时效性，减轻测验人员的劳动强度，保证测验人员安全性，进而也保证了测验数 据的正确性，对提升水文自动化测流水平意义较大。 参考文献 1马忠梅等.单片机的 C 语言应用程序设计M.北京：航空航天大学出版社，2007 年 2姚永熙.水文仪器与水利水文自动化M.南京：河海大学出版社，2001 年. 3丁化成等. AVR 单片机应用M.北京：航空航天大学出版社，2002 年 4沈文等.AVR 单片机 C 语言开发入门指导M.北京：清华大学出版社，2003 年. 水文自动化测流遥控仪研制水文自动化测流遥控仪研制作者：李德贵， 陶金荣 作者单位：李德贵(黄河水利委员会水文局，河南郑州 450004)， 陶金荣(黄河水利委员会河南水文水资源局，河南郑州 450004)本文链接：http:/

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