張玉勝，陳泉志

（黃委中游水文水資源局，山西 晉中 030600）

浮標(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器應(yīng)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(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器可以自動(dòng)計(jì)算電子經(jīng)緯儀跟蹤測量的浮標(biāo)起點(diǎn)距位置，并通過 LED 數(shù)碼管顯示。與人工計(jì)算相比，由于采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，使用起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出浮標(biāo)起點(diǎn)距，提高工作效率和測量的精度。

浮標(biāo)；起點(diǎn)距；自動(dòng)計(jì)算；測驗(yàn)

0　引言

浮標(biāo)法測流是指通過測定水中的天然或人工漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng)的速度，結(jié)合斷面資料及浮標(biāo)系數(shù)來推求流量的方法［1］。其中一項(xiàng)主要內(nèi)容是測定浮標(biāo)在中斷面上的位置，即測定浮標(biāo)流經(jīng)中斷面時(shí)的起點(diǎn)距。通常采用平板儀、經(jīng)緯儀或全站儀測角交會(huì)法測定。

儀器觀測人員在每個(gè)浮標(biāo)到達(dá)中斷面前，將儀器的照準(zhǔn)線瞄準(zhǔn)并跟蹤浮標(biāo)，當(dāng)收到浮標(biāo)到達(dá)中斷面的信號(hào)后，及時(shí)制動(dòng)儀器，記錄當(dāng)前測量的角度，根據(jù)該站的浮標(biāo)公式計(jì)算出相應(yīng)的起點(diǎn)距。

黃委中游水文局大部分水文站采用平板儀觀測起點(diǎn)距，通過測量基線長度、偏轉(zhuǎn)角度等值，然后進(jìn)行人工計(jì)算［2］。

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

為了提高測驗(yàn)精度，黃委中游水文局 2015 年將所有浮標(biāo)起點(diǎn)距觀測儀器更新為電子經(jīng)緯儀，并開發(fā)了起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器。

1　設(shè)計(jì)思路

用經(jīng)緯儀的通訊線將經(jīng)緯儀和起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器連接到一起后，打開經(jīng)緯儀和計(jì)算器的電源開關(guān)，計(jì)算器將不停地自動(dòng)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(jì)算器，計(jì)算器上會(huì)顯示出此時(shí)的起點(diǎn)距數(shù)值，起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器與電子經(jīng)緯儀連接外觀所示。調(diào)整經(jīng)緯儀的角度，計(jì)算器上顯示的數(shù)值也會(huì)跟著自動(dòng)改變。

2　系統(tǒng)組成

起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)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(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路。可同時(shí)實(shí)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(zhuǎn)換信號(hào)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(yùn)算，處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LED 驅(qū)動(dòng)控制專用電路 TM1638，TM1638 驅(qū)動(dòng)共用數(shù)碼管顯示計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)流程如圖 1 所示。

圖1　設(shè)計(jì)流程圖

3　系統(tǒng)應(yīng)用

3.1浮標(biāo)測驗(yàn)原理

浮標(biāo)測驗(yàn)原理如圖 2 所示，浮標(biāo)從上游順流而下，G 點(diǎn)為浮標(biāo)經(jīng)過中斷面時(shí)位置，D 為當(dāng)前浮標(biāo)起點(diǎn)距［4］?；€布設(shè)位置（基線點(diǎn)是否與 0 點(diǎn)樁重合）、基線與斷面垂直與否等情況不同，浮標(biāo)起點(diǎn)距計(jì)算采用公式為：D = C + L tan （ α + β） ，

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

圖2　浮標(biāo)測驗(yàn)原理圖

在使用浮標(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器過程中，要正確測量起點(diǎn)距必須首先根據(jù)各個(gè)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(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器使用串行通訊電纜與任意一臺(tái)具有串行通訊口的計(jì)算機(jī)連接，若計(jì)算機(jī)無串行通訊口，可使用 USB 轉(zhuǎn) RS-232 電纜連接。

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

3）向起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器發(fā)送如下格式指令：C + XXXXXX 或 L + XXXXXX，即對應(yīng)參數(shù)的大寫字母后添加上“+”或“-”號(hào)，再加 6 個(gè)數(shù)字，其中 C，L 必須大寫，X 表示數(shù)字，前 3 位對應(yīng)整數(shù)部分，后 3 位對應(yīng)小數(shù)部分，數(shù)據(jù)位數(shù)不足時(shí)補(bǔ) 0（整數(shù)在前補(bǔ) 0，小數(shù)在后補(bǔ) 0）。如輸入 C + 123456，表示修改后的 C 對應(yīng)數(shù)值是 123.456 m，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕，計(jì)算器上會(huì)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(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕后，計(jì)算器上會(huì)顯示 234.5。輸入要修改的數(shù)據(jù)后數(shù)碼管會(huì)自動(dòng)顯示，即 3 位整數(shù)和 1 位小數(shù)，但是在計(jì)算器內(nèi)部真正參加運(yùn)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(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器和經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀一側(cè)是圓孔插頭，計(jì)算器一側(cè)是 9 針 D 型插頭。

起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器和經(jīng)緯儀正確連接后，打開側(cè)面的開關(guān)即可正確工作。如經(jīng)緯儀已啟動(dòng)，計(jì)算器將不停地自動(dòng)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(jì)算器，計(jì)算器上會(huì)顯示出此時(shí)的起點(diǎn)距數(shù)值。調(diào)整經(jīng)緯儀的角度，計(jì)算器上顯示的數(shù)值也會(huì)跟著自動(dòng)調(diào)整。

3.3比測試驗(yàn)

考慮到斷面實(shí)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(diǎn)測得的起點(diǎn)距進(jìn)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(diǎn)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(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器計(jì)算精度高，結(jié)果可靠。

3.4應(yīng)用情況

在浮標(biāo)法流量測驗(yàn)中，通過人工調(diào)整經(jīng)緯儀追蹤浮標(biāo)，浮標(biāo)到達(dá)中斷面時(shí)停下電子經(jīng)緯儀，儀器顯示的數(shù)值即為浮標(biāo)流經(jīng)中斷面的起點(diǎn)距。

與人工計(jì)算相比，使用起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出起點(diǎn)距。由于采用了單片機(jī)進(jìn)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(yīng)用效果良好。

表1　XX 站起點(diǎn)距對照表 m

圖3　起點(diǎn)距誤差對照表

4　結(jié)語

為解決浮標(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算的問題，進(jìn)行了浮標(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器的開發(fā)及應(yīng)用比測分析研究。結(jié)果表明：浮標(biāo)起點(diǎn)距自動(dòng)計(jì)算器計(jì)算精度高、結(jié)果可靠、操作簡便，值得在開展浮標(biāo)測驗(yàn)的水文站推廣應(yīng)用。

［1］ 朱曉原，張留柱，姚永熙. 水文測驗(yàn)實(shí)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(jī)基礎(chǔ)項(xiàng)目教程［M］. 北京：北京理工大學(xué)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗乃Y源。