（机械设计及理论专业论文）河流模型水位测量及温排水系统的设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 河流模型试验中要对很多参量进行严格的测量和控制，必须保证试验有足够的置信 度，设计研究这些参量的高性能测控系统，具有重要的工程应用价值。结合横向课题， 本文介绍了长江安庆段河流模型的建立背景和试验方案，根据其试验要求，设计实现了 水位测量系统和温排水系统，并研究开发新型容积式泵，以优化河流模型配置。 河流模型水位测量系统利用两级分散控制原理和一种通信信息不分“地址帧”和“数 据帧”的新型多机通信方法，实现了对1 6 台水位计进行实时控制，本文对水位计及硬 件电路的设计、通信及数据处理软件的编制做了详细的介绍。试验结果表明，水位测量 精度达到0 1r m ，系统实时性能较好，测量误差在试验要求范围之内。 河流模型温排水系统实现了对排水口温度场温度和排量两个参数在一定范围内的 无级调节和稳态控制，本文介绍了该系统测温与温控硬件组成以及控制排量的水路结构 组成，编制了硬件控制及数据处理软件。试验结果表明，温度控制精度达到0 1 度，系 统能在l o m i n 左右使水温达到稳态，各断面测量误差均在试验要求范围之内。 为了优化河流模型配置、提高试验效率，本文进行了新型容积式泵的设计研究，提 出了基于摆动导杆曲柄摇块机构的往复式排吸作用模型，最后试制了该模型，进行了原 理试验。试验结果表明原理可行。 文中的各项技术研究既有理论基础，又通过了试验验证，可在河流模型试验系统中 进行推广。 关键词：河流模型，水位测量，温排水，泵，往复运动机构，曲柄摇块机构 华中科技大学硕士学位论文 t h e r ea r em a n y p a r a m e t e r s t ob es t r i c t l ym e a s u r e da n dc o n t r o l l 甜i nr i v e rm o d e l e x p e d r n e n t ，t h e w h o l e p r o c e s s o f t h e e x p e r i m e n t m u s t b e c o n v i n c i b l e e n o u g h i t s v e r y p r a c t i c a l a n d i m p o r t a n t t o d e s i g n a n dr e s e a r c h h i g h p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t c m o f t h o s e p a r a m e t e r s b e c o m b i n e d w i t h a n e n g i n e e r i n g p m j e d ，t h e f o u n d a t i o n b a c k g r o u n da n d e x p e r i m e n ts c h e m e o f r i v e r m o d e l o f p a r t 0 f t h e c h a n g j i a n g r i v e rw i t h i nt h er e g i o no f a n q i n g i sg i v e ni nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h ee x p o n e n t s d e m a n d ，t h ew a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt h ew a t e rt e m p e r a t u r ea n dd i s p l a c e m e n tc o n t r o l s y s t e m a r e d e s i g n e d ，a n d a n e w - s t y l e e u h a g e p u m p w h i c hc a n o p t i m i z e t h e c o n f i g u r a t i o n o f r i v e r m o d e l i sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ew a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ts y s t e mo fr i v e rm o d e lr e a l i z e sr e a l t i m ec o n t r o lt o1 6 n i l o m e t e r su s e st h ed i s p e r s i v ec o n t r o lt h e o r yo ft w ol e v e l sa n dan e w s t y l em u l t i m a c h i n e c o m m u n i c a t i o n sw h i c ht h ec o m m u n i c a t i o n si n f o r m a t i o nj sn o td i s t i n g u i s hb e t w e e na d d r e s s f r a m ea n dd a t af r a m e t h ed e s i g no fn i l o m e t e ra n dh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ep r o g r a mo f c o m m u n i c a t i o n sa n dd a t ap r o c e s s i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a d e lr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r e c i s i o no fw a t e rl e v e lc a nb em e a s u r e dt or e a c h0 1 r u m ，s y s t e mh a sh i g hr e a l - t i m e p e r f o r m a n c ea n dt h em e a s u r e m e n te r r o ra r ew i t h i n t h el i m i t so fr i v e rm o d e le x p e r i m e n t d e m a n d t h ew a t e r t e m p e r a t u r ea n dd i s p l a c e m e n tc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e ss t e p l e s sa d j u s t m e n ta n d s t e a d ys t a t e c o n t r o lt ot h et w op a r a m e t e r s ，t e m p e r a t u r ea n dd i s p t a c e m e n t ，o fo u t f a l l t e m p e r a t u r ef i e l di nl i m i t e dr a n g e t h es y s t e m sh a r d w a r eo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ，w a t e r w a yo fd i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，a n dp r o g r a mo fh a r d w a r ec o n t r 0 1 a n dd a t a p r o c e s s i n g a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ec 蚰b e c o n t r o l l e dt or e a c h0 1d e g r e e ，s y s t e mc a nm a k ew a t e rt e m p e r a t u r er e a c hs t e a d ys t a t ew i t h i n 1 0m i n u t e s ，a n dt h ee r r o ro fe a c hs e c t i o ni sw i t l l i nt h el i m i t so fr i v e rm o d e ie x p e r i m e n t d e m a n d a n e w - s t y l ec u b a g e p u m p i sr e s e a r c h e d a n d d e s i g n e d t o o p t i m i z e t h e c o n f i g u r a t i o n o f f i v e r m o d e l a n di n c r e a s et h ee f l s c i e n c yo fe x p e r i m e n t t h er e c i p r e c a f i n gd r a i na n ds u c t i o nm o d e lb a s e do n p e n d u l a r l e a d e rs l i d e r - o - a u km c c h a i l i s mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h ep u m pm o d e li sm a n u f a c t u r e da n d e x p e r i m e n t a l i z e c l r e s u l t ss h o wt h a tt h e o r yo ft h en e w s t y l ec u b a g e p u m p i sf e a s i b l e a l lt h et e c h n i q u er e s e a r c h e sn o to n l yh a v et h e o r yf o u n d a t i o nb u ta l s oa r ev a l i d a t e db y e x p e r i m e n t i nt h i sp a p e rc a nb ep o p u l a r i z e di nr i v e rm o d e le x p e r i m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：r i v e r m o d e l ，w a t e r l e v e l m e a s u r e m e n t ，w a t e r t e m p e r a t u r e a n d d i s p l a c u n e n t c o n t r o l ，p u m p r e c i p r o c a t i n g m e c h a n i s m s l i d e r - c r a n k m e c h a n i s m l i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 河流模型是通过对自然河流的天然河道特性参数按照一定比例转换后建立的试验 系统【1 】，在该模型上试验得到的各种数据对于人们认识河流规律、研究河流水文特性和 进行水利工程建设具有重要的参考价值。目前，河流模型被广泛应用于水库运用f 2 】、堤 防研究【3 】、洪水演算【4 】、河性变化【5 】、防汛抢险【6 】、水电建设【7 j 等方面的研究。 河流模型试验的置信度取决于模型与原型的相似性和模型控制与检测变化的能力 | 8 】。在河流模型试验中往往需要对很多连续的物理量参量进行严格的测量和控制( 如水 温、水位、流速、压力、位移、振动以及泥沙的运动等) ，测控这些参量的精度、实时 性等指标很大程度上决定了系统的置信度，因此，设计研究这些参量的高性能测控系统， 优化河流模型配置，提高模型试验的置信度，是一项具有重要的理论意义和实践价值的 课题。 本课题是我校与长科院合作的横向课题，主要内容为设计实现水位测量系统和温排 水测温及自动控制排量系统，应用于长江安庆段河流模型，并研究开发新型容积式泵， 以优化河流模型配置。 安庆段河流模型主要研究长江特征洪水过程对城市防洪基础设施建设的影响以及 一些实际生产应用问题。由于是河段的模型，只有精确控制水位值，才能正确反映真实 河道的特性，模型是经比例缩小的，其比例一般为几百比一，因而水位检测系统的精度 要求极高，同时，水位测量系统应该具有较高的实时性能，这样才能准确模拟诸水文现 象。另外，模拟热电厂实际生产应用，安庆段河流模型需进行温排水试验，目的是通过 测控温排水温度和排量两个参数，分析排水口温度场扩散对采水口温度的影响，以确定 最佳采水口及出水口距离，提高经济效益。本文将结合计算机控制和数据通信技术，设 计实现水位测量及温排水系统，使其满足实际工程应用要求。 在河流模型试验系统中，液压泵是重要的组成部分，其工作效率直接影响着整个试 验。同时，泵、压缩机、马达类产品在工业中有着极其广泛的应用，它们的设计和制造 水平以及它们的运行经济性和可靠性被认为是衡量一个国家机械工业发展水平的标志 吼因此，进行这类产品新结构的研究和开发，具有非常重要的现实意义。本文通过对 典型往复运动机构一一杆机构的一些问题的研究，提出了一种多作用流体排吸结构，并 建立了实验台研究开发多作用往复式容积式泵，试验表明，以多作用往复摆动导杆曲柄 华中科技大学硕士学位论文 摇块机构作为核心运动部件的容积式泵结构可行，具有体积小、排量大、效率高的优点。 1 2 国内外模型试验概况 1 2 1 国外水利水电工程模型试验测控技术概况 水利工程试验模型的精度和测量技术水平直接影响国家的水利水电建设和防洪效 益，目前世界上己建、在建和拟建的大型水利工程有近2 0 0 项，遍布世界各地。 前苏联已建的大型调水工程有1 5 项之多【1 0 】，年调水总量达4 8 0 多亿m 3 ，主要用于 农田灌溉。规划中的调水工程较多，前苏联有1 0 0 多个研究所进行调水工程的方案设计 与技术研究，特别是花了2 0 多年研究和规划的“北水南调”工程，包括6 条调水线路， 规模宏大，计划远景最大调水总量达5 6 2 0 亿m 3 ，初期计划年调水量8 2 0 亿m3 ，输水 路线总长达1 0 4 0 0 k m 。这些工程中较著名的有：伏尔加一莫斯科调水工程，纳伦河一锡 尔河调水工程，库班河一卡劳期河调水工程等。做了大量的模拟试验，研制了多种自动 化仪表，包括如流装置、水位测量、出流控制。 英国著名的泰晤士挡潮闸【l ”，全长5 2 0 m ，共1 0 孔闸门。其模型试验包括挡潮闻对 泰晤士河水及泥沙的影响、挡湖闸的水力机构完成。做了泰晤士河口模型、充气挡潮闸 模型，全闸水整体模型等模型。还提出了第一个模拟海口悬浮泥沙运动状态的数学模型。 还有d i n o r w i g 抽水蓄能电站，包括渠道工程的气流和水流模型试验等，测量采用电磁 流量计、双线水位记录仪、微型旋浆流速仪、紫外线记录仪等。 美国的密西西比河流域模型【1 2 】为目前世界上最大的小比尺使用模型，其流域面积为 1 , 2 5 0 , 0 0 0 k m2 。它作为一种研究工具把干支流上水库和其它防洪建筑物的运用协调起 来，一边在密西西比河流域内提供最大的防洪总效益。1 9 5 2 年密苏里河涨洪水时，就利 用了此模型做洪水试验，事先帮助可能泛滥的地区排涝和防汛抢险。1 9 7 3 年4 月，该模 型再次用来帮助密河下游的防汛抢险。所有仪表的操作由控制室管理。还有哥伦比亚河 口模型、旧金山河三角洲潮汐模型等。在哥伦比亚河口联合模型的研究中，应用了三种 大型数值模型一一r m a 2 v ，1 a c 和s t u d h 。这些程序分别模拟了流体动力学、波浪 情况和输沙问题。 荷兰d e l f t 水力实验室在1 9 7 8 年开发成功的r i j n m o n d 潮汐模型控制系统( 1 3 j ，应用 小型计算机p d p i l 4 0 来实现潮汐边界、盐浓度控制与数据采集。其水位实现值( 平均 值) 为0 2 m m 。 2 华中科技大学硕士学位论文 国外继续研究提高动态河流模型控制方法的同时，也在研究制作模型的新方法、新 材料。近年来为了研究某些细节问题，已发展了特殊的三维数值模型【1 “。预计，不久将 有完全由软件实现的计算机仿真系统及由软硬件实现的虚拟系统出现。这样，可根据河 床的特性，水流的特性，泥沙的特性，建立随特定系统而变的参数化河流模型，大大缩 短了河流模型的制作时间和经费。 1 2 2 国内水利水电工程模型试验测控技术概况 国内模型控制方面，水电部珠委科研所于1 9 8 3 年首先实现了潮汐边界的计算机实时 控制。他们采用z d 一0 6 5 微型计算机控制多口门潮汐水位，并对多台水位仪进行巡检。 1 9 8 7 年南京水利科学院开发的汕头港模型控制系统【1 5 j ，采用了积分分离p i d 算法。控 制误差一般不大于5 。1 9 9 4 年由华中理工大学与长江科学院联合开发的荆江模型控制 系统，控制精度水位偏差在0 3 r a m 左右，但稳定水位时间为1 0 1 5 m i n 。1 9 9 8 年由华 中理工大学与长江科学院联合开发的南水北调穿黄河流模型测控系统，入水口流量控制 误差在1 5 以内，水位误差控制在0 0 2 c m ，系统可在6 r a i n 左右达到稳态【1 6 1 。 目前，国内各水利科研单位在河流模型测控方面自动化水平虽有较大提高，能实现 流量、水位的全自动检测和控制，但尚存在一些问题。如长科院先前使用的各模型水位 测量系统多为单级控制形式，即采用工业板卡直接控制水位计测量并人工读取数据，控 制往往由操作者的经验决定，且主要为单台测量模式，因而采样面窄、测量精度低、实 时性差，使模型试验的置信度受到影响。由此可见，设计研究具有较高参量测控性能指 标的河流模型试验系统势在必行，它将为许多水利工程方案设计提供一个有力的保证。 1 3 国内外往复运动杆机构研究概况 杆机构的惯性力和惯性力矩完全平衡是杆机构研究的难点之一。 b e r k o f 和l o w e n 于1 9 6 9 年提出了惯性力完全平衡的线性独立向量法【埘，又于1 9 7 3 年在文献中首次用配重和平衡齿轮完全平衡了共面四杆机构的惯性力和惯性力矩【l s 。 t e p p e r 和l o w e n 在1 9 7 2 年给出了任意形式的杆机构的惯性力可完全平衡判据f 1 9 】。b a g c i 于1 9 8 2 年在文献中用“惰性环法”完全平衡了多种四杆和六杆机构的惯性力和关系力 矩【删。我国学者杨廷立等在九十年代初给出了般平面杆机构惯性力完全平衡的般理 论【2 1 】，后又推广到空间杆机构的情况。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文所做的工作 本文重点设计实现了河流模型试验中两主要参量一一水位、温度的基于数据通信的 测控系统，针对控制对象的特点，设计了相应的硬件系统和传感器，并在v i s u a lc + + 6 0 平台上开发了其控制软件系统。同时，为了优化河流模型配置，从理论和实践两方面设 计研究了以往复摆动导杆曲柄摇块机构作为核心运动部件的多作用容积式泵。具体研究 内容包括： 1 结合实际工程应用，介绍了河流模型特性和试验验证方案： 2 设计实现了河流模型水位测量系统，介绍了其工作原理，设计出了系统的机械装置 部分、硬件电路部分和控制软件部分，并进行了试验验证； 3 设计实现了河流模型温排水测温及自动控制排量系统，进行了试验验证； 4 提出了基于摆动导杆曲柄摇块机构的往复式多作用油泵模型； 5 设计制作了以多作用往复摆动导杆曲柄摇块机构作为核心运动部件的容积式泵，并 建立了实验台进行试验验证。 1 5 本章小结 本章介绍了本文设计研究工作的背景，概述了国内外河流模型及有关试验参量测控 系统的发展情况，以及国内外往复运动杆机构研究概况。由于河流模型被广泛应用于水 库运用、堤防研究、洪水演算、河性变化、水电建设等方面的研究，因而开发高精度的 河流模型测控系统，研究可优化河流模型配置的新型容积式泵，具有重要的工程实际意 义。本章给出了本文的研究任务。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 河流模型的建立及试验方案条件的确立 2 1 河流模型概述 河流模型是通过对自然河流的天然河道特性参数按照一定比例转换后建立的试验 系统，在该模型上试验得到的各种数据对于人们认识河流规律、研究河流水文特性和进 行水利工程建设具有重要的参考价值。河流模型试验的置信度取决于模型与原型的相似 性和模型控制与检测变化的能力。河流试验模型一般由干流河道、支流河道、河流出水 口等几部分组成【2 2 】。为了模拟河流泥沙的流动与沉积，在干、支流河道入水口处还设有 清水输入管道、沙浆输入管道，在各管道阀门的控制下将清水、沙浆输入河道来模拟天 然含沙水流。河道沿岸布置有若干水位仪来测取各处的水位值。在河流出水口处设置有 一个尾门，可通过该尾门来控制河道放水量的大小。各管道阀门、水位仪、尾门一般均 通过步进电机来对其进行控制。 下面结合横向课题介绍河流试验模型。 2 2 长江安庆段河流模型的建立 2 2 1 模型的建立背景 安庆市位于长江下游北岸、皖河出口处，为皖西南的中心城市，是安徽省全省经济 发展的精华所在。其境内山地、丘陵和洲圩湖泊各占三分之一，全境地形自西北向东南， 分别为山地、丘陵和沿江平原；最高点为大别山腹地的岳西陀尖，海拔1 7 5 1 米；江岸 线长达四十七公里，现拥有码头四十二座，可常年通航五千吨级货轮和万吨油轮，在长 江十大港口中占第四位，是国家一级口岸。 由于特有的地形条件和地理环境，安庆市近年来才逐步完善防洪工程，但不少河堤 尚有防洪标准低，难抵大水等问题，给城市造成了巨大的灾害。如1 9 9 8 年8 月6 日的 特大洪水，安庆市最高洪水位达1 6 8 3 8 m ，得胜门超过警戒水位( 1 6 0 m ) 持续时间长达 9 5 小时。安庆市主城区沿长江、皖河两岸广大地区被淹，受灾人口达2 l 万，淹没土地 4 3 万亩，淹没工矿企业5 1 3 家，直接经济损失达3 亿多元，并造成长江航运中断5 天的 影响。这次大洪水给安庆市工农业生产和人民生命财产造成了重大损失i 纠。安庆市近年 来以提高城市防洪标准为主要目标，对长江、皖河两岸岸线进行综合治理已成为安庆市 各级政府和全市人民十分关注的大事。为此，受安庆市防汛抗旱办公室委托，长江科学 5 华中科技大学硕士学位论文 院承担了安全市主城区河段河工模型试验任务。重点研究拟定合理的岸线整治方案及工 程对防洪、航运等方面带来的影响。华中科技大学与长江科学院合作，共同进行了此项 模型试验测控系统的设计与开发。 2 2 2 试验方案条件的确立 安庆市主城区河工模型模拟的河段范围，长江干流上起金坝，下游至殷汇口，全长 约3 0 k m ；支流皖江自杨桥( 井口下游约3 k m ) 至入汇口，全长约1 5 k i n 。 从相似理论的基本要求出发，进行河流模型设计及实验时必须考虑【驯： ( 1 ) 河型相似； ( 2 ) 河势演变相似； ( 3 ) 泥沙几何特征相似； ( 4 ) 水流泥沙运动及河床变形相似。 为了实现以上要求，本模型采用塑料沙模拟悬移质，其比重为1 0 5 6 9 m3 ，干容重 为0 6 6 7 t m3 。卵石推移质选用河南平顶山肥煤模拟，其比重为1 3 3 7 t m3 ，干容重为 0 7 5 t m3 。 根据三维紊动水流连续方程和水流运动方程，利用相似指标和相似准则原理进行转 换后【冽，可得模型水流运动有关的比尺。模型的主要比尺公式为【2 6 】： 水流运动时间比尺：口。= 鱼 a ” 流速比尺：口y = a 日 流量比尺：口口= 口口a r e 尺= 雾 本模型取平面比尺为3 0 0 ，垂直比尺为9 0 。模型设计各项相似比尺列于表2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 模型设计比尺表 相似条件比尺名称比尺符号比尺值 平面比尺 a 3 0 0 几何相似 垂直比尺 a h 9 0 流速比尺a v9 4 9 流量比尺 a 口 2 5 6 2 3 0 水流运动相似 糙率比尺a n 1 1 6 水流运动时间比尺a n 3 1 6 1 沉速比尺a w4 1 2 起动流速比尺a 虻 9 8 6 扬动流速比尺a 一 9 8 6 泥沙运动相似悬移质粒径比尺a d 1 0 3 8 床沙粒径比尺a d 2 5 水流挟沙能力比尺a j 1 6 河床变形时间比尺a f 2 8 5 5 纵向稳定系数比尺a 州 1 o 河床稳定性相似 横向稳定系数比尺a “ 1 o 2 2 3 模型的制造 安庆河段河工模型采用断面法制模，干支流共布置近3 0 0 个横断面，模型断面平均 间距约o 8 m 。此外还特别注意微地形塑造，河床上的礁石和石梁等用教点控制高程进行 华中科技大学硕士学位论文 塑造。制模完成后进行了竣工测量，模型制作精度高程达到0 2 c m ，平面位置误差 0 2 c m 左右。 2 3 长江安庆段河流模型试验验证方案 河流模型验证的重要环节是清水和混水验证部分【2 ”。首先是清水验证，主要是水面 线和流速分布等方面的相似性验证以及潮位和潮流过程的验证；然后进行混水验证，验 证模型泥沙冲淤部位及数量与原型的相似性，达到河床冲淤变化基本相似。 此外，结合热电厂实际生产应用，本模型需进行温排水试验，目的是通过测控温排 水温度和排量两个参数，分析排水口温度场扩散对采水口温度的影响，以确定最佳采水 口及出水口距离，提高经济效益。 2 4 本章小结 本章结合长江安庆段河流模型对河流模型试验进行了介绍，包括模型试验的常规内 容、模型的建立背景、模型试验方案条件的确定、模型的制造、模型验证方案等。 8 华中科技大学硕士学位论文 3 河流模型水位测量系统的设计与实现 3 1 河流模型水位测量系统结构与工作原理 水位测量是河流模型实验中必不可少的一个部分，现有水位测量系统多为单级控制 形式，即采用工业板卡直接控制水位计测量并人工读取数据，控制往往由操作者的经验 决定，且主要为单台测量模式，因而采样面窄，测量精度低，实时性差。华中科技大 学与长江科学院河流所合作，设计实现了河流模型水位测量系统，于2 0 0 2 年6 月投入 河流所长江安庆段河流试验模型使用以来，系统稳定可靠，控制精度和效果完全满足系 统设计要求。 河流模型水位测量系统利用两级分散控制原理和一种新颖高效的多机通信方法，可 以实现对1 6 台水位计进行实时控制。系统主要包括机械装置部分及控制硬件和软件部 分，机械装置部分由分布于不同位置的功能相同的1 6 台水位计组成，每台水位计主要 包括电机、丝杠、光孔盘和探针等部分。控制硬件部分由上位机( 一台5 8 6 以上型号的 微机) 和下位机( 4 台8 9 c 5 1 b 型单片机) 构成，通过在上下位机问进行串口通信，采集 和传送实时水位数据，经计算机处理后可直接得到水位过程曲线，并能实现同步测量、 异步测量等多种运行模式。河流模型水位测量系统结构原理图如图3 1 所示。 l 矩帆( 上位帆)i 悱 单片帆c 4 台) 崮卤崮卤 匠9 悃匿9 啦 审卣 + 模 型水位 图3 1 河流模型水位测量系统结构原理图 挖南敝件和 敦样部分 舰艟装置部分 9 华中科技大学硕士学位论文 3 2 水位计的设计 本系统采用机电式自动跟踪仪，其结构如图3 2 所示。测量过程中，由步进电机驱 动，经过丝杠螺母机构，带动探针上下移动，从而不停检测水位值，当探针碰到水面时， 丝杠转角唯一确定，可由安装在动力输出轴上的光码盘直接读出，通过转角检测电路反 馈到单片机，换算后即可得到实时水位。水位计的测量方式直接决定着铡量精度，本系 统采用的光电式测量方式具有较高的测量精度和运行可靠性，较之以前水位测量系统有 很大提高，例如，由长江科学院和华中科技大学机械学院在九十年代共同开发的水位测 量系统中采用记录步进电机脉冲数换算水位的测量方法f ，由于系统中存在步进电机丢 步等问题，使得系统测量精度和运行可靠性不高。 图3 2 水位计机构简图 图3 3 为光孔盘截面图，光孔盘圆周均布2 0 个光孔，螺距为4 m m ，光孔当量= 4 。2 0 3 6 0 = 0 2 2 2 2 m m 光孔，总行程为3 0 c m 。在水位计控制程序中，消除了因水的物力 因素而引起的积累误差，从而控制积累误差在一0 1 + 0 1 m m 内。水位计中设置了超行 程限位开关，在系统运行出现异常情况时，能自动关闭、退出系统，不影响系统的其它 控制。水位测量采用机电式自动跟踪水位仪，不存在温漂、时漂，数字量传输距离可达 】0 华中科技大学硕士学位论文 到1 0 0 0 米。 3 3 硬件电路设计 3 3 1 转角检测息路 图3 5 为转角检测电路图，丝杠转角检测的实现主要通过l m 5 6 7 c n 芯片实现。该芯 片3 脚为输入端，通过耦合电容c 1 接收信号；8 脚为解调器输出端，输出方波脉冲信号 到单片机计数器；5 脚接电阻r 5 ，6 脚接电容c 4 ，锁相环中心频率f = 1 ( 1 1 5 r 5 c 4 ) ， 为了更好地滤除输入信号中的干扰信号，设计了5 脚经r 5 、r 9 通过q 7 对输入电压附加 载波；2 脚接锁相环滤波电容c 2 ，c 2 的容量及3 脚输入信号电压u 和接收带宽b w 之间 的关系为b w = 1 0 7 0 u c 2 ( 以f 为中心的百分比例) 。 系统运行过程中，光码盘与丝杠同步旋转，它每转过一个光孔就发出一个电压信号 通过光隔d 4 经三极管q 8 输入l m 5 6 7 芯片3 脚，该信号同载波一起经滤波整形后可得到 方波脉冲信号，由8 脚发给单片机计数器计数。当探针碰到水位时，换算单片机计数器 中读数即可得到水位值。 图3 4 转角检测电路图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 电机控制电路 水位计采用三相步进电机( 4 5 8 f 0 1 b ) 驱动，图3 4 为步进电机一相的控制电路图。 v 1 2 一l 为电压输入端，输入电压u 1 经光隔耦合进入电路，为了得到足够大的电机输入电 流1 2 ，利用了两个三极管q l 和q 4 对输入电流1 1 进行两级放大。电路中利用光隔传输电 压主要是为防电路电流反过来影响输入端，对输入端仪器仪表起保护作用。 图3 5 电机控制电路图 3 4 用一种新的多机通信方法实现上下位机间通信 河流模型水位测量系统运用了一种新颖高效的多机通信方法实现了上下位机间的 r s 2 3 2 c 串口通信，这种通信方法具有较高的通信效率，有效地提高了系统的实时性能a 3 4 1 常规多机通信方法。” p c 机与8 0 5 1 通信串行帧信息包括：l 位起始位，8 位数据位，l 位可编程的特征 1 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = j 4 a l g = ；目= a 日= 4 ；目 l i = = ；# i 目；自：=； 位和1 位停止位，这1 i 位数据帧格式如下： 图3 6 串行通信数据帧格式 上下位机闻常用的通信方法是：初始化时各下位机的串行控制寄存器s c o n 中的 s m 2 均置为l ，上位机先向下位机发送l 条地址帧，并使特征位为1 ( 1 表示地址信息， 0 表示数据信息) ，于是，所有的下位机均发生接收中断，并判断地址帧中8 位数据所确 定的地址码是否与自己地址相符，相符者作出响应，置s m 2 为0 ，转为中断开放状态。 上位机在送出地址帧后，紧接着送出数据帧( 特征位为0 ) ，只有地址相符的下位机( s m 2 为0 ) 才能收到，其余下位机( s m 2 为1 ) 不能进行中断处理，从而实现了上位机与某 下位机的一对一通信。在这种通信方法中，特征位为0 表示数据信息，而数据的校核则 采用累加和校验方法，这样不仅增加了通信的数据量和软件开销，而且还影响了系统的 实时性。 3 4 2 本系统运用的多机通信方法 河流模型水位测量系统上下位机间的数据通信是利用一种通信信息不分“地址帧” 和“数据帧”的新的多机通信方法实现的，具体介绍如下： 将下位机s m 2 一直置为0 ，并将标志位r j 清零，则不论特征位数据为何值，下位 机均可产生接收中断，同时，为确保上位机与相应发送地址相符的下位机之间一对一通 信，采用以下软件方法控制：在下位机程序中设立一个标志变量f l a g ，初始化时f l a g 置为0 ，当上位机发送数据时，各下位机均会产生接收中断，中断服务程序先判断本机 f l a g 的值。若f l a g 为0 ，则把接收的数据与本机地址比较，如果一致，置f l a g 为 1 ，并发回本机地址码作为应答，否则马上跳出中断服务程序：如果f l a g 是1 ，说明 上位机发送来的是控制命令( 上位机发送某下位机的地址码并收到该机发回的地址码 后，马上发送控制命令给该下位机) ，则转相应命令处理程序，最后才跳出中断服务程 序，返回主程序。上位机与该下位机通信完毕后，再令该下位机f l a g 为0 。由上可见， 本方法的实质是上位机把地址码当作一个命令数据发送给下位机，亦即不要地址帧，把 上位机传送的信息均作为数据帧。这样。免去累加和相比较的方法，可提高通信效率， 减少软件开销。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 5 上位机通信软件设计 3 5 1 上位机通信原理 当系统运行过程中需要获得某台水位计的水位数据时，上位机通过发送相应地址信 号唤起控制该水位计的下位机。如果下位机发回确认信号，则联络成功。上位机根据采 样时间周期向下位机定时发送测量命令并实时接收测得数据，下位机接到测量命令后立 即启动测量子程序并将测得数据实时发送给上位机，为避免上位机发送指令和接收数据 产生冲突，运用定时器对采样周期进行了划分。上位机测量完毕后关闭定时器并向下位 机发送停止测量命令，则一组采样数据测量结束。系统程序框图如图3 7 所示。 图3 7 系统流程框图 华中科技大学硕士学位论文 3 5 2 上位机程序主要界面 河流模型水位测量系统上位机程序用v i s u a lc + + 6 。0 编写，主要包括选择水位计、 系统设定、系统复位、数据处理等模块，操作方便，界面简单清晰。其主菜单如图3 8 所示。 图3 8 上位机程序主菜单 本系统最多可控1 6 台水位计同时进行测量，在应用过程中，首先需根据测量需要 选择水位计。选择水位计界面图如图3 9 所示。 图3 9 选择水位计界面图 选择水位计后需进行系统参数设定，主要包括高程设定、模型比尺设置、测量时间 设置和采样间隔设置。系统参数设定界面图如图3 1 0 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图31 0 系统参数设定界面图 完成了以上初始设定之后，上位机会根据实验者的要求向下位机发送系统复位及启 动水位计测量的命令，并接收下位机发送回来的数据，启动数据处理模块，实时显示水 位曲线图形。 3 5 3v c 下的串口通信编程 在v i s u mc + + 中编制串行通信程序一般有三种方法p 1 】：( 1 ) 调用m i c r o s o f tw i n 3 2 应用程序接口( a p i ) 提供的串行通信函数；( 2 ) 利用v c + + 的m f c 类库实现；( 3 ) 用a c t i v e x 通信控件开发串口通信程序。前两种方法涉及到多线程等概念，相对比较复杂，而 a c t i v e x 控件容易掌握，应用较为广泛。现在一般使用的是微软公司的m s c o m m 控件，利 用该控件可以快速高效地开发出功能强大的串行通信程序。 m s c o m m 控件通过串行端口传输和接收数据，它提供了两种处理通信问题的方法【3 2 】： 一是查询法，一是事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 方法。查询方式由编程者读取c o m m e v e n t 的值并处理所发生的事件；事件驱动方式工作原理类似中断方式，当有通信事件发生时 ( 如发送数据、接收数据等) ，就会触发控件的0 n c o m m 事件，一般可在该事件的处理函 数中进行各种应用处理，实现相应功能。查询法适用于功能简单的通信，而事件驱动方 法则适用于数据量大、功能复杂的通信。 m s c o m m 控件常用属性有： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 c o m m p o r t 选择连接的串行端口号。 s e t t i n g s 设置串口通信参数，类型c s t r i n g ，依次为波特率、奇偶校验、数据有效 位数、停止位。 i n b u f f e r s i z e 设置接收缓冲区大小。 o u t b u f f e r s i z e 设置发送缓冲区大小。 i n p u t m o d e 设置接收数据的类型，0 表示文本类型，l 表示二进制类型。 r t h r e s h o l d 设置接收到几个字符触发o n c o m m 事件。 i n p u t l e n 设置从接收缓冲区读取的字节数。 s t h r e s h o l d 设置触发o n c o m m 事件前，发送缓冲区的最小字符数。 对应上述属性，m s c o m m 控件均提供了相应的操作函数，具体可参考m s d n 中该控件 的相关介绍。 本软件的实现主要运用m s c o m m 控件的事件驱动方法进行串口通信编程，大部分 功能实现函数均封装于类c s w j d i g 中，下节简要介绍部分主要功能实现函数。 3 5 4 主要功能实现函数 ( 1 ) 串口初始化 i n tc s w j d g ：0 n c r e a t e ( l p c r e a t e s t r u c t1 p c r e a t e s t r u c t ) m _ c o m p o r t s e t c o m m p o r t ( 1 ) ：选择c o m l m _ c o m p o r t s e t l n b u f f e r s i z e ( 1 0 2 4 ) ：接收缓冲区 m _ c o m p o r t s e t o u t b u f f e r s i z e ( 5 1 2 ) ：发送缓冲区 m _ c o m p o r t s e t l n p u t l e n ( 0 ) ：设置当前接收区数据长度为0 ，表示全部读取 m _ c o m p o r t s e t l n p u t m o d e ( 1 ) ：p a - - 进制方式读写数据 m _ c o m p o r t s e t r t h r e s h o l d ( 4 ) ： 接收缓冲区有4 个及4 个以上字符时，将引 发接收数据的o n c o m m 事件 m s o m p o r t s e t s t h r e s h o ld ( 0 ) ： m _ c o m p o r t s e t s e t t i n g s ( ”9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ”) ：波特率9 6 0 0 ，无检验位，8 个数 据位，1 个停止位 ) ( 2 ) 定时器的实现 函数中e v e r y t i m e 为采样间隔参数，m _ t i m e r c o u n t 为采样间隔计数变量，将一个采 样周期划分为1 0 * e v e r y t i m e 个采样间隔，规定上位机只能在一个采样周期的前5 个采 1 7 华中科技大学硕士学位论文 样间隔时间段内向下位机发送指令，其余采样间隔时间段内只能接收数据，这样在某一 时刻上位机只能有一种工作状态，避免了发送指令和接收数据产生冲突。 v o i dc s w j d l g ：o n t i m e r ( u i n tn i d e v e n t ) i f ( m _ s y s t e m r e f l e s h = = 1 ) 系统已复位 i f ( mt i m e r c o u n t ( 1 0 * e v e r y t i m e ) = = o ) 已归零 系统变量初始化 i f ( mt i m e r c o u n t ( 1 0 * e v e r y t i m e ) = = 1 ) 采样间隔1 允许单片机1 发送消息给上位机 c h a rs e n d m e s s a g e l 1 0 ： s h o r tv a l u e l = o ； v a l u e l + = 1 6 丰6 ： v a l u e l + = 2 5 6 * ( 1 + 1 6 5 ) ：单片机1 地址控制字 一i t o a ( v a l u e l ，s e n d m e s s a g e l ，1 6 ) ：将十进制数据转换为十六进制数据 c b y t e a r r a yh e x d a t a ： i n t1 e n = s t r i n 9 2 h e x ( s e n d m e s s a g e l ，h e x d a t a ) ：此处返回的l e n 可以 用于计算发送了多少个十六进制数 mc o m p o r t s e t o u t p u t ( c o l e v a r i a n t ( h e x d a t a ) ) ：发送十六进制数据 i f ( mt i m e r c o u n t ( 1 0 * e