張廣海 ,孫世雷 ,王貞珍
(1. 黃河水利委員會山東水文水資源局, 山東 濟(jì)南 250100;2. 黃河水利委員會水文局, 河南 鄭州 450004)
黃河下游多數(shù)水文站水文測船測驗(yàn)使用機(jī)械六分儀進(jìn)行垂線起點(diǎn)距測量,具有測量快捷,使用簡單,造價(jià)低廉,故障率低等特點(diǎn),是其它現(xiàn)代化測距儀器無法替代的測驗(yàn)設(shè)備,在水文測驗(yàn)中占有十分重要的位置。
測驗(yàn)時(shí),在測流斷面的 2 個(gè)標(biāo)志桿(或標(biāo)志塔)上分別安裝 1 個(gè)標(biāo)志燈,通過這 2 個(gè)標(biāo)志燈確定測船是否在斷面線上;在基線端點(diǎn)標(biāo)志桿上安裝 1 個(gè)基線標(biāo)志燈,用于測量測船至基線端點(diǎn)的連線與斷面線的夾角,再根據(jù)夾角、基線長度計(jì)算測船的起點(diǎn)距位置。
夜間流量測驗(yàn),醒目的標(biāo)志燈是不可缺少的測驗(yàn)設(shè)施。目前大都使用白熾燈作為測驗(yàn)標(biāo)志燈,使用 220 V 交流電為標(biāo)志燈提供電能。此類標(biāo)志燈存在以下幾個(gè)方面的問題:1)需要架設(shè)專用輸電線路,在偏僻的鄉(xiāng)村盜割輸電線的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,不但造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,而且影響正常的水文測驗(yàn),此外由于多數(shù)水文站駐地在農(nóng)村,電力供應(yīng)不如城市,有時(shí)停電會影響測驗(yàn);2)采用普通的白熾燈作為標(biāo)志燈,此燈與其它光源無差別,極易與其它光源混淆,用六分儀交會時(shí)容易出現(xiàn)目標(biāo)錯(cuò)誤,造成起點(diǎn)距數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;3)白熾燈壽命短,經(jīng)常需要爬上十幾米高的標(biāo)志桿更換燈泡,給測驗(yàn)人員帶來一些不必要的麻煩。為了解決這些問題,提高夜間測量能力,根據(jù)標(biāo)志燈實(shí)際應(yīng)用和要求,研制了新型遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,研制的遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈由太陽能電池板、充電電路、蓄電池、遙控開關(guān)、光控電子開關(guān)、閃光電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED 發(fā)光板等 8 個(gè)部分組成,具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈原理如圖 2 所示。
圖1 遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈結(jié)構(gòu)圖
圖2 遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈原理圖
圖2 中各元器件功能簡述如下:D4 為保護(hù)二極管;IC1 為線性穩(wěn)壓集成電路,型號為 7812,輸出穩(wěn)定的 12 V 直流電壓;D5 為升壓二極管,由于它的作用使 IC1 輸出電壓提升為 13.8 V;C2,C3 為濾波電容;W 為光控調(diào)整電位器,根據(jù)自然亮度調(diào)整標(biāo)志燈點(diǎn)亮(或熄滅)的時(shí)刻;U1 為光敏三極管,用于檢測室外亮度;IC2 為與非門電路,含 4 個(gè)獨(dú)立單元,即 IC2A,IC2B,IC2C,IC2D;V1 為驅(qū)動(dòng)管,驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng);D1,D2,D3 是 LED 發(fā)光板;R 為電阻。
常見的光源有幾十種,如白熾燈,高壓汞燈,電弧燈,LED,LCD,LCDS,EL 等,對各種光源的性能進(jìn)行比較,并根據(jù)水文測驗(yàn)要求選擇適合測驗(yàn)的光源作為標(biāo)志燈。近年來高亮(超高亮)發(fā)光二極管的誕生,使發(fā)光二極管的優(yōu)越性越來越突出,經(jīng)比較認(rèn)為 LED 發(fā)光二極管的性價(jià)比遠(yuǎn)優(yōu)于其它光源,發(fā)光效率遠(yuǎn)大于白熾燈,壽命是白熾燈的十幾倍。所以選擇 LED 發(fā)光二極管作為標(biāo)志燈的發(fā)光器件。
LED 發(fā)光板是超低功耗、高發(fā)光效率的新型環(huán)保光源,有多種顏色供選擇,發(fā)光面積可隨意改變,省電,適合電池供電場合使用。若選用黃色發(fā)光管,可提高標(biāo)志燈的穿霧能力。
D1,D2,D3 是高亮度發(fā)光二極管,3 只發(fā)光二極管串聯(lián)后組成 1 組發(fā)光單元,再由 96 組發(fā)光單元組成發(fā)光板,這 288 只二極管均勻排列成 24×12 發(fā)光矩陣,發(fā)光面積為 253 cm2。如果河道水面寬度較大,可以把 2 塊(或多塊)發(fā)光板拼接組成大面積的發(fā)光板,以滿足各種水面寬的起點(diǎn)距測量。
一般夜間測流 1 次,工作時(shí)間為 2 h。發(fā)光板標(biāo)準(zhǔn)工作電流為 960 mA,為了使標(biāo)志燈醒目,采用閃光工作狀態(tài),平均工作電流為 960÷2=480 mA=0.48 A。1 次測流所需電池容量為 0.48 A×2 h=0.96 A·h。
考慮到陰雨天,選擇蓄電池的容量為 12 A·h。
根據(jù)蓄電池的容量和實(shí)際測驗(yàn)所需容量,考慮充電電流小于 1 A,這樣對于延長電瓶壽命很有益處,故選用 10 W 的太陽能板作為充電電源。
由 D4,IC1,D5,R5,C2,C3 組成充電電路,為限壓式浮充充電方式,最高充電電壓為 13.8 V,D5 為升壓二極管,兼太陽能充電指示。
YKQ-JSB 為遙控開關(guān)執(zhí)行部件,由單片機(jī)AT89C2051 核心部件及有關(guān)元件構(gòu)成。以基線標(biāo)志燈為例加以說明,當(dāng)按下遙控器手柄的“基線”按鈕,發(fā)出基線點(diǎn)亮信息,基線燈箱的遙控開關(guān) KA 閉合,蓄電池的電能送往整個(gè)電路,基線燈工作,發(fā)光板點(diǎn)亮;當(dāng)按下遙控器手柄的“關(guān)”按鈕時(shí),接收電路中的 KA 斷開,蓄電池的電能被切斷,基線燈停止工作,發(fā)光板熄滅。
由 W,U1,IC2,IC2D[1]組成光控電子開關(guān),白天 U1 受到光線的照射,使 IC2C 的 8 腳電壓小于 1/2 VCC,10 腳輸出高電平,致使 IC2D 的 11 腳輸出低電平,此電平為光控開關(guān)的控制電平,該處的“0”電平表示關(guān)斷(斷),“1”電平表示打開(通)。白天 11 腳的“0”電平把閃光電路關(guān)閉,發(fā)光板不會發(fā)光。
夜間 U1 不受光線的照射,使 IC2C 的 8 腳電壓大于 1/2 VCC,10 腳輸出低電平,致使 IC2D 的 11腳輸出高電平,此腳的“1”電平將閃光電路打開,發(fā)光板發(fā)光。
這樣達(dá)到白天自動(dòng)關(guān)閉標(biāo)志燈的目的。
由 IC2A,IC2B[1],C1,R3,R4 組成閃光電路,閃光電路實(shí)際是多諧振蕩器,振蕩頻率約為2 Hz 左右,波形為標(biāo)準(zhǔn)的方波。振蕩器的振蕩與否取決于 IC2A 的 1 腳電平,也就是 IC2D 的 11 腳電平的高低,高電平振蕩(夜間),低電平停振(白天)。
由 V1 和 R2 組成驅(qū)動(dòng)電路,如果加大發(fā)光板的面積,可隨意把多個(gè) V1 互相并聯(lián)使用,印刷板已經(jīng)留有 V1 并聯(lián)的位置,擴(kuò)容比較容易,其它不必做任何改動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路主要作用是提高 CMOS 的輸出功率,V1 基本不需驅(qū)動(dòng)電流,可以輸出較大的電流,用于推動(dòng)發(fā)光板發(fā)光。
標(biāo)志燈的點(diǎn)亮與熄滅受光控和遙控的控制,邏輯關(guān)系如表1 所示。
表1 遙控指令和光控功能的邏輯關(guān)系表
遙控關(guān)燈指令有關(guān)燈有優(yōu)先權(quán),不管是白天或夜晚,只要遙控器發(fā)關(guān)燈指令,標(biāo)志燈均為熄滅狀態(tài);不管遙控器發(fā)開燈或者關(guān)燈指令,只要是白天,標(biāo)志燈均處于熄滅狀態(tài)。
工作原理以基線標(biāo)志燈(A)為例加以說明。
1.10.1 蓄電池充電
在圖 2 中 D5 是升壓發(fā)光二極管,IC1 是線性12 V 直流穩(wěn)壓集成電路,兼作充電指示燈,白天充電時(shí)發(fā)光二極管發(fā)黃色的光,表示太陽能電池產(chǎn)生電動(dòng)勢。由于 D5 的存在,使 IC1 的輸出電壓為13.8 V,正好為蓄電池的充電終止電壓。白天太陽能電池 E1 的輸出電壓大于 15 V 時(shí),在穩(wěn)壓集成電路7812 的輸出端 3 腳輸出 13.8 V 直流電,通過二極管D4 和 R5 送往蓄電池,對蓄電池 E2 進(jìn)行充電,補(bǔ)充電能。隨著充電時(shí)間的增加,蓄電池電壓逐漸升高,充電電流逐漸減小,當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到 13.8 V時(shí),充電電流為零,充電終止。這樣可以防止蓄電池過充,有效延長蓄電池的使用壽命。
1.10.2 遙控控制
1)白天。若按遙控器按鈕,遙控接收電路 KA閉合,VCC 端電壓為蓄電池電壓,閃光燈電路得到電能。但是光敏管 U1 使 IC2C 的輸入端 8 和 9 腳為低電平,IC2C 輸出高電平,進(jìn)而使 IC2D 的 11 腳輸出低電平,迫使閃光電路停振,IC2B 的 4 腳輸出低電平,此時(shí) V1 處于截至狀態(tài),發(fā)光板不發(fā)光。
2)夜間。若遙控開關(guān)關(guān)閉,整個(gè)電路(除遙控接收板)處于斷電狀態(tài),電路不工作,發(fā)光板不發(fā)光;若按遙控器開燈按鈕,遙控接收電路 KA 閉合,VCC 端電壓為蓄電池電壓,閃光燈電路得到電能。夜間光敏管 U1 處于高阻狀態(tài),使 IC2C 的輸入端 8和 9 腳為高電平,IC2C 輸出低電平,進(jìn)而使 IC2D的 11 腳輸出高電平,閃光電路開始振蕩,IC2B 的 4腳輸出矩形脈沖,使 V1 處于截至、導(dǎo)通交替狀態(tài),發(fā)光板閃爍發(fā)光。
遙控器上有“關(guān)”、“后斷面”、“前斷面”、“基線”4 個(gè)按鈕,其中“后斷面”、“前斷面”、“基線”對應(yīng)控制 2 個(gè)斷面燈和 1 個(gè)基線燈,3 處的標(biāo)志燈開燈控制是相互獨(dú)立的,按鈕“后斷面”、“前斷面”、“基線”是互不影響的,另外按鈕“關(guān)”是關(guān)閉鍵,按下此鍵則所有燈均關(guān)閉。
1)采用太陽能電池作電能,不必架設(shè)專用供電線路;
2)光源采用高亮 LED 發(fā)光二極管,使用壽命長,發(fā)光面積大,視覺范圍廣,目標(biāo)更清晰;
3)采用遙控方式,開燈、關(guān)燈極其方便;
4)標(biāo)志燈具有閃爍功能,目標(biāo)更醒目,不易和其它光源混淆,避免了目標(biāo)錯(cuò)誤。
新型遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈已在山東黃河所有水文站推廣應(yīng)用,夜間測驗(yàn)效果良好。通過推廣使用說明:該燈發(fā)光亮度高,是夜間測驗(yàn)最好的光源之一;在測船上可隨意開、關(guān)標(biāo)志燈,操作極為方便;標(biāo)志燈具有閃爍功能,目標(biāo)更醒目;使用太陽能供電不必架設(shè)供電線路,節(jié)約了一次性建設(shè)投資;使用太陽能作能源,節(jié)能環(huán)保,可見經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。遙控閃光型 LED 測驗(yàn)標(biāo)志燈在水文行業(yè)中極具推廣價(jià)值,建議使用六分儀進(jìn)行起點(diǎn)距測量的水文站安裝該型標(biāo)志燈,使之發(fā)揮重要作用。
[1]趙保經(jīng),王曉光,王國定,等. CMOS等集成電路[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985: 117-122.