CN204228234U - 激光海上验潮仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光海上验潮仪，该仪器包括无线通讯机、激光传感器、键盘、显示器、主板电路及主电源板；所述主板电路由主控制器、时钟控制器、数据存储器、存储器电源、串口电路及外围支撑电路连接组成；所述主控制器分别与键盘、显示器、时钟控制器、数据存储器、串口电路连接；数据存储器与存储器电源连接；串口电路分别与数据输出口、无线通讯机、激光传感器连接。所述主电源板为上述电路和设备提供电源；所述主电源板由外部电瓶和太阳能板提供电压输入，或由交流电网通过AC-DC提供电源。本实用新型是通过激光的变化获得潮位数据的变化；该仪器安装简便，基本无需维护；与海水无接触，不受环境温度、湿度等变化的影响，性能稳定可靠。

Description

激光海上验潮仪

技术领域

本实用新型涉及一种验潮仪，特别涉及一种激光海上验潮仪。

背景技术

验潮仪是观测海洋潮汐涨落变化的仪器，由安装分布在海区的各个验潮站的验潮仪进行相应海区的海水潮位数据采集，以用于水文监测管理等。

目前，验潮测量技术具有以下几种形式： 

压力式：用压力传感器采集海水潮位变化所带来的压力变化，需要将压力传感器放入水中若干米下，得到压力数据的变化；其连接较为简便，但长时间工作，海水泥沙回淤，压力金属的工作疲劳，易造成水位采集精度下降；维护较频繁，且需要定期更换传感器。

浮子式：其中水浮子与重锤通过钢丝连接到转盘上，海水的潮位变化通过浮子带动转盘的变化来采集海水潮位的变化数据，该方法使用时间较长，技术较为成熟，但设备较为笨重，安装复杂，并需频繁维护。

超声波式：是通过超声波传感器发射超声波来检测海水潮位的变化，水位采集设备较为简单，安装比较方便，与海水无接触；但超声波传感器易受海岸环境变化的影响，水位采集精度变化较大，稳定性欠佳，目前海水潮位检测已较少使用。

微波式：采用微波传感器发射微波信号，通过微波信号在海水中的变化得到海水潮位的变化数据；安装较为方便，是近年刚刚起步发展的一种验潮测量形式，还有待于进一步开发完善。

因此，提供一种设计合理、结构简单、性能安全可靠、应用效果显著的激光海上验潮仪，是该领域技术人员当前急待解决的难题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种结构设计合理、性能安全可靠、效果显著、应用维护方便且测量精度高的海上验潮仪。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种激光海上验潮仪，其特征在于该仪器包括无线通讯机、激光传感器、键盘、显示器、主板电路及主电源板； 

所述主板电路由主控制器、时钟控制器、数据存储器、存储器电源、串口电路及外围支撑电路连接组成；

所述主控制器分别与键盘、显示器、时钟控制器、数据存储器、串口电路连接；数据存储器与存储器电源连接；串口电路分别与数据输出口、无线通讯机、激光传感器连接；所述主电源板为上述电路和设备提供电源；

所述主电源板由外部电瓶和太阳能板提供电压输入，或由交流电网通过AC-DC提供电源。

该仪器主板电路部分包括的主控制器IC1口0分别与地址锁存器IC2输入接口、时钟控制器IC4和数据存储器IC3的八位IO接口连接；IC2的八位输出口和IC1的口2分别连接到IC3的低八位、高七位地址接口和片选脚；IC1的口1和口3的部分脚连接CN3到键盘以及电瓶电压检测输出脚和连接CN4到显示器，IC1的其它脚连接IC5的输入输出和IC3、IC4的控制脚，IC5对应的输入输出脚连接到IC6的串口TTL电平输入输出脚；IC6的串口232电平输入输出脚通过接线插座CN1连接激光传感器、CN2到无线通讯机，CN1_1是数据输出接口；

所述外围支撑电路包括的电容C1、C2、晶体振荡器OSC1是主控制器IC1的时钟电路；电阻R1、电容C3是主控制器IC1的上电复位电路；电阻R2、电容C4是时钟控制器IC4的上电复位电路；二极管D1、D2、电池BT1是数据存储器IC3的存储器电源；CN4是主板连接显示器的接线插座，CN3是主板连接键盘的接线插座。

主电源板部分包括主电源板电源输入接线插座PCN1和电源开关KK连接到主电源板的桥电路PD1，桥电路PD1的输出端接开关型三端稳压器IC20的输入，且通过主电源板输出接线插座PCN3连接无线通讯机，同时通过主电源板输出接线插座PCN2的一脚供电激光传感器；开关型三端稳压器IC20输出稳定的正5V电压供整个仪器的工作；电压比较器IC21是外部电瓶输入电压检测电路，其输入脚通过电阻R21连接到桥电路PD1的输出端，其输出通过主电源板输出接线插座PCN2的2脚连接到主板的主控制器IC1；主电源板的5V稳压由接线插座PCN2连接到主板的接线插座PN1。

本实用新型的有益效果是：本实用新型是采用激光传感器发射激光，通过激光的变化来检测潮位的变化以得到潮位变化的数据，是一种新型潮位检测方式；仪器安装简便，即除激光传感器外全部安装在一密封机箱内，与海水无接触，确保仪器不受环境温度、湿度等变化的影响，有效保证仪器工作的稳定和可靠。该仪器工作基本不受工作环境变化的影响，测量范围宽， 0.05米-70米，并可以满足各种潮位变化的要求，潮位测量精度远远高于其它方式的测量精度，最高精度可达0.1毫米，该仪器验潮精度高，且工作稳定可靠，基本无需维护。

总之，该仪器结构简单，设计合理，性能安全可靠，节能、效率高；操作简便、验潮数据准确、稳定性好，应用效果非常显著。

附图说明

图1是本实用新型应用系统连接示意图； 

图2是本实用新型电路部分组成连接框图； 

图3是本实用新型主板主控部分电路原理图； 

图4是本实用新型主板输出串口部分电路原理图；

图5是本实用新型主板电源部分电路原理图；

图6是本实用新型主板外围支撑部分电路原理图；

图7是本实用新型主电源板电路原理图。

图中：

集成电路：主控制器IC1，地址锁存器IC2，数据存储器IC3，时钟控制器IC4；多路数字开关IC5，串口电路IC6；开关型三端稳压器IC20，电压比较器IC21；

电阻：R1，R2；R21，R22，R23，R24，R25；

组排电阻：RR1；

电容：C1，C2，C3，C4；C10，C11，C12，C13；C20，C21，C22，C23；C24，C25，C26，C27，C28，C29，C30，C31；

二极管：D1，D2；

保护二极管：D20； 

接线插座：CN1，CN1_1， CN2，CN3，CN4，PN1；

存储电源电池：BT1；

晶体振荡器：OSC1；

主电源板输入接线插座：PCN1；

主电源板输出接线插座：PCN2，PCN3；

桥电路：PD1；

电位器：VR20；

电源开关：KK。

具体实施方式

以下结合附图和较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征详述如下： 

如图2-图7所示，一种激光海上验潮仪，该仪器包括无线通讯机、激光传感器、键盘、显示器、主板电路及主电源板；除激光传感器外的部分均设置于密封机箱内；密封机箱通过三个密封插头分别连接外部的电瓶输入线、无线通讯机天线、激光传感器232串口及电源线；激光传感器也是水密的，一个防水插座是数据输出口（COM）。

图2中虚线框内所示的主板电路I由主控制器、时钟控制器、数据存储器、存储器电源、串口电路及外围支撑电路连接组成；

所述主控制器分别与键盘、显示器、时钟控制器、数据存储器、串口电路连接；数据存储器与存储器电源连接；串口电路分别与数据输出口、无线通讯机、激光传感器连接；所述主电源板为上述电路和设备提供电源；

所述主电源板由外部电瓶和太阳能板提供电压输入，或由交流电网通过AC-DC提供电源。

该仪器主板电路部分包括的主控制器型号为AT89C52 IC1口0分别与地址锁存器IC2型号为74HC373的输入口、时钟控制器IC4 型号为DS12C887和数据存储器IC3型号为UT62256的八位IO接口连接；74HC373 IC2的八位输出口和AT89C52 IC1的口2分别连接到UT62256 IC3的低八位、高七位地址接口和IC3的片选脚；AT89C52 IC1的口1和口3的部分脚（P1.1、P1.2、P1.3、P3.2、P3.4、P3.5）连接CN3到键盘和（P1.6、P1.7）连接CN4到显示器，另外P3.5通过主板电源插座PN1的2脚连接到主电源板IC21的输出脚，AT89C52 IC1的其它脚（P3.0、P3.1、P1.4）连接IC5型号为CH440G的输入输出和控制脚，（P1.5、P3.3、P3.6、P3.7）分别连接IC4的控制脚，且（P3.6、P3.7）同时连接IC3的控制脚；IC5的对应输入输出脚连接到IC6型号为MAX232的串口TTL电平输入输出脚；IC6的串口232电平输入输出脚连接到CN1到激光传感器、CN2到无线通讯机、CN1_1是数据输出接口（COM）；

所述外围支撑电路包括的电容C1、C2、晶体振荡器OSC1是主控制器IC1的时钟电路；电阻R1、电容C3是主控制器IC1的上电复位电路；电阻R2、电容C4是时钟控制器IC4的上电复位电路；二极管D1、D2、电池BT1是数据存储器IC3的存储器电源；CN4是主板连接显示器的接线插座，CN3是主板连接键盘的接线插座。

所述主电源板部分包括PCN1是主电源板电源输入接线插座和电源开关KK连接到主电源板的桥电路PD1，桥电路PD1的输出端接开关型三端稳压器IC20的输入且通过PCN3连接无线通讯机，同时通过PCN2的一脚供电激光传感器，开关型三端稳压器IC20型号为K7805-2输出稳定的正5V电压供整个仪器的工作；电压比较器IC21型号为LM311是外部电瓶输入电压检测电路，其输入脚通过电阻R21连接到桥电路PD1的输出端，其输出通过PCN2的2脚连接到主板的主控制器；主电源板的5V稳压由主电源板输出接线插座PCN2连接到主板的接线插座PN1。

电路中涉及的各部件的工作原理、作用及采用型号与参数要求： 

如图3所示，主板主控部分电路由主控制器IC1采用型号为AT89C52（CPU）；地址锁存器IC2采用型号为74HC373，用于完成IC1和IC3的地址锁存；数据存储器IC3采用型号为UT62256，存储是经数据压缩的潮位和时间数据；时钟控制器IC4采用型号为DS12C887，向主控制器提供时间数据，该芯片内含电池在断电后内部仍能继续完成时间继续走时，确保再次通电后时钟的连续；上拉组排电阻RR1（10K）是IC1口0的上拉电阻，CN3是键盘连接插座，连接键盘完成人机对话。

如图4所示，主板串口部分电路由多路数字开关IC5型号为CH440G及串口电路IC6型号为MAX232组成；串口电路IC6是用于将主控制器IC1的TTL串口电平转换成232串口电平，由于主控制器IC1只有一个串口，而且主控制器是通过串口接线插座CN1与激光传感器、接线插座CN2与无线通讯机、CN1_1是存储数据输出口相连接，要完成上述连接就要通过多路数字开关IC5和串口电路IC6完成；电容C10（1μf）、C11（1μf）、C12（1μf）、C13（1μf）是串口电路IC6的工作支撑电容。

如图5所示，主板电源部分电路由电容C24-C30（0.1μf）和C31（470μf）以及PN1组成，PN1是主板上连接主电源板的电源接线插座，电容C24-C29是集成电路IC1-IC6的退耦电容，电容C30、C31是主板电源滤波电容。图5中示出的K-START是外部电瓶输入电压检测脚，由图7主电源板IC21的输出脚通过PCN2的2脚到主板的PN1的2脚连接到图3主控制器的K-START脚（P3.5）。

如图6所示，主板外围支撑部分电路由电容C1（47pf）、C2（47pf）、晶体振荡器OSC1（11.059MHZ）是主控制器IC1的时钟电路，电阻R1（1K）、电容C3（22μf）是主控制器IC1的上电复位电路，电阻R2（10K）、电容C4（10μf）是时钟控制器IC4的上电复位电路，二极管D1、D2（1N5819）、电池BT1（3V）是数据存储器IC3的存储器电源，CN4是主板连接显示器的接线插座。图6中示出的RES1是主控制器IC1的复位脚，它是电容C3、电阻R1的连接点，即连接到图3主控制器IC1的RES1脚；RES2是时钟控制器IC4的复位脚，它是电容C4、电阻R2的连接点，即连接到图3时钟控制器IC4的RES2脚；同时，图6中示出的X1-1、X1-2是主控制器IC1的时钟输入输出脚，它连接图6的电容C1、C2、晶体振荡器OSC1，即连接到图3主控制器IC1的X1-1、X1-2脚。

如图7所示，主电源板由三端开关稳压器IC20（型号为K7805-2），完成外部电瓶输入的不稳压12V电压转换成稳定的VCC（+5V)电压提供给仪器；电瓶输入电压检测由IC21（型号为LM311）完成，用于捡测电瓶输入电压使用状况并向主控制器提供外部电瓶输入电压正常与否的信息，当外部输入电压低于10.8伏时向主控制器IC1提供电源故障信号，PCN1是主电源板输入接线插座，即外部电瓶输入接线插座，KK是电源开关，桥电路PD1（1A）是用于控制电源正负极接反，当电源正负极接反时仍能保证仪器的正常工作，保护二极管D20（型号为SA24CA）起到电源防浪涌保护作用， 电容C20（10μf/25V）、C21（0.1μf）、C22（22μf）、C23（0.1μf）是开关三端稳压器IC20的滤波电容， 电阻R21（1M）、R22（450K）、R23（150K）、R24（180K）、电位器VR20（100K）是IC21静态设置电阻，调整电位器VR20当外部电瓶输入电压低于10.8伏时，IC21输出电源故障信号给主控制器，电阻R25（10K）是IC21的输出上拉电阻，由于无线通讯机的工作电压在5-35伏，激光传感器的工作电压在9-20伏，不需稳压电源IC20提供，无线通讯机由接线插座PCN3供电，激光传感器由接线插座PCN2的一脚提供。

所述无线通讯机、激光传感器和液晶显示器均采用市售件。

无线通讯机型号为CM6550P；例如采用厦门才茂通讯科技有限公司产品。

激光传感器型号为FTM-50；例如采用北京飞拓信达激光技术有限公司产品。

液晶显示器为市售产品，例如型号可采用12864 ZW。 

主要组成部件的特点：

所述键盘主要完成人机对话，可完成对当前时钟的设置、数据存储器的清空、将数据存储器存储的数据通过数据输出口（COM）下载到计算机（PC）等。

所述时钟控制器可采用美国达拉斯芯片公司最新设计的时钟芯片DS12C887，该芯片具有多种数据存储格式，可很好的满足不同的时钟设计要求，同时该芯片还自备数据存储锂电池，可在断电的情况下保存设置好的时钟继续工作。

所述数据存储器主要用来保存处理好并压缩的潮位采集数据和时间信息，考虑潮位检测的要求，需要5分钟采集一次潮位数据。当前存储器芯片有两种类型，静态和动态存储，静态存储不需要存储电源、使用较方便，但它的擦写次数一般在10万次（根据芯片手册），这样5分钟采集一次，一天要288次，一年就要10万多次擦写，就是说要用静态存储器一年就要更换，显然采用静态存储器是不可取的。而动态存储器在断电的情况下是采用存储电源保持保存的数据不被丢失，虽然电路稍复杂一些，但无擦写次数的限制。因此设计中采用是动态存储芯片UT62256，该芯片是32K存储空间，如果对采集的潮位数据和时间信息进行数据压缩，至少可存储50天的潮位和时间数据。这里设计数据存储方式是存储当前向前至少50天的潮位和时间数据，即存储器里的存储数据永远是存储当前和以前50天潮位和时间数据。这样如果一旦数据通讯失败，如无线通讯机损坏，潮位检测中心无法收到实时的潮位数据，也完全有时间满足工作人员到现场维修和下载相应天数的潮位数据。

所述主电源板的作用是将电瓶或太阳能板的供电电源进行稳压来提供给仪器的正常工作，该电源板完成DC到DC的转换是采用开关电源结构，这样可以大大提高电源的转换效率，有利于现场验潮站宝贵电能的使用。仪器可工作在9-18V的电源供电，考虑到大型船只来往发动机所产生的高频电磁干扰和雷雨时雷电的干扰，本实用新型电路中加入了D20防浪涌保护二极管和电容C20-C23作为防高低频电磁干扰滤波。由于无线通讯机的工作电压在5-35V、激光传感器的工作电压在9-20V，因此无需稳压直接由桥电路PD1输出供电。考虑到各验潮站是无人值守，知晓电瓶电能的使用状况是很重要的，为此主电源板的IC21是用于监测电瓶电能的使用情况，一旦电瓶过量使用，电源电压低到10.8V时，可由IC21检测到并上传到主板的主控制器，由主控制器通过无线通讯机传至监控中心，便于维护人员的即时维护。

所述主控制器（CPU）是验潮仪的心脏，整个验潮仪的工作过程由其控制完成。设计中可采用美国ATMEL公司的AT89C52单片机作为主控制器（CPU），其为INTEL公司51系列单片机的增强型，具有软件开发方便、仿真容易，而且软件编译写入灵活等特点，片内RAM增加到256字节存储空间，方便了整个设备的数据处理。片内增设WATCH DOG （看门狗）CPU管理电路，软件编写启动看门狗，这样就能够很好控制由于干扰造成主控制器软件跑飞而死机的现象出现。

主控制器工作时采集由时钟控制器输出的时钟数据并判断是否要启动潮位检测，如果是则启动激光传感器进行潮位数据采集，将采集到的数据进行数据处理整理后暂存入主控制器的RAM中，同时还要采集IC21提供电源的电压能耗情况，判断是否正常。将RAM中的潮位数据、时钟控制器的时间信息和电瓶能耗情况传送到无线通讯机，启动无线通讯机将数据一同传到监控中心。同时还要将潮位数据和时间信息进行压缩，存储到数据存储器里，并将RAM中的潮位数据和时间信息显示到液晶显示器上。

该验潮方法重点实施步骤包括：

（1）潮位数据采集

验潮仪的主要数据是实时潮位数据采集，采用激光传感器作为潮位数据采集具有数据采集精确，无需维护（对于压力和浮子式传感器）等优点。但对于海浪和涌浪的影响，使得潮水检测准确性要求更加重要，对此编写软件时对潮位数据的采集正确与否是非常重要，采用数字滤波是必须的，当今数字滤波的方法大致有三种即程序判断滤波、中值滤波和滑动平均值滤波，针对上述的海浪影响，设计中采用程序判断和改进的滑动平均值滤波相结合的综合数字滤波方法来满足潮水数据采集的准确性，每次数据采集十五次，去掉最小和最大的采集数据，而对其它采样数据用滑动平均值滤波。

（2）看门狗复位

验潮仪工作时是无人值守的，完全依靠主控制器的软件自行完成，当遭到外部干扰时（如雷电）可能造成软件跑飞而死机，设计中除了在硬件上加装防浪涌和滤波电路外，还加入了主控制器管理电路WATCH DOG（看门狗），通常的看门狗是在主控制器软件跑飞死机后复位主控制器（CPU），而验潮仪都要将每次采样的时间信息和潮位数据存储到数据存储里，为了保证存储器中的数据存储区域完整性，主控制器必须知道自己复位的起因，为此设计中采用了一个字节的RAM空间作为复位断点标志位，保证了主控制器（CPU）每次复位程序执行时知道自己是开机启动复位还是看门狗复位，如果是看门狗复位，程序将在复位前断点处继续执行程序，保证了整个设备工作的完整。

本实用新型工作过程及原理如下：

该仪器的激光传感器垂直海面安装于海边验潮井支架的定位板上；验潮仪接通电源后，主控制器首先读取时钟控制器（DS12C887）中的时间信息，该时钟芯片内置电池用于维持断电后时钟的继续运行。如果是潮位采集时间（每5分钟采集一次潮位），启动激光传感器采集潮位，考虑到海水的波浪的影响，为提高采集数据的准确性，主控制器控制激光传感器连续十五次采集潮位数据，采集到的数据暂存到主控制器内部的RAM里后关闭激光传感器，将采集到十五组数据进行处理，处理方法是分别去掉十五组数据中最大的和最小的，并将其它十三组数据作算数平均得到当前的潮位数据，这样的目的是为了提高潮位数据的准确性。然后将时间信息、潮位数据、电瓶电压使用状况信息一起传送到无线通讯机，由无线通讯机将数据通过网络传送到监控中心，再将潮位数据和时间信息进行压缩，存储到数据存储器中，并将数据存储器中存储的数据前移一组，这样做的目的是保证存储器里存放的数据永远是当前和以前五十天的潮位数据。最后改写显示器显示当前时间和潮位。

键盘和显示器是用于人机对话和显示相关内容，显示器用于显示当前时间（年、月、日、时、分、秒）和潮位，正常工作时显示器处于低亮度用于节能。键盘用于设置时钟和需要时工作人员到现场下载前五十天的潮位数据，以及需要清空数据时进行数据存储器的清空。

该海上验潮仪应用实例：

参见图1，整个系统由布设在海岸边的各个验潮站组成相应海区的潮位数据采集，各个验潮站将同步定时采集到的潮位数据通过现有电信无线网络传送到无线基站，再通过网络传递到单位的监测中心。这样水文管理人员就可方便的由计算机水文监测软件实时观测到各个潮位站的潮位状况，并将各个潮位数据出存储到数据库里。

上述参照实例对该激光海上验潮仪进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本实用新型总体构思下的变化和修改，应属本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光海上验潮仪，其特征在于该仪器包括无线通讯机、激光传感器、键盘、显示器、主板电路及主电源板； 

所述主板电路由主控制器、时钟控制器、数据存储器、存储器电源、串口电路及外围支撑电路连接组成；

所述主控制器分别与键盘、显示器、时钟控制器、数据存储器、串口电路连接；数据存储器与存储器电源连接；串口电路分别与数据输出口、无线通讯机、激光传感器连接；所述主电源板为上述电路和设备提供电源；

所述主电源板由外部电瓶和太阳能板提供电压输入，或由交流电网通过AC-DC提供电源。

2.根据权利要求1所述的激光海上验潮仪，其特征在于该仪器主板电路部分包括的主控制器IC1口0分别与地址锁存器IC2输入接口、时钟控制器IC4和数据存储器IC3的八位IO接口连接；IC2的八位输出口和IC1的口2分别连接到IC3的低八位、高七位地址接口和片选脚；IC1的口1和口3的部分脚连接CN3到键盘以及电瓶电压检测输出脚和连接CN4到显示器，IC1的其它脚连接IC5的输入输出和IC3、IC4的控制脚，IC5对应的输入输出脚连接到IC6的串口TTL电平输入输出脚；IC6的串口232电平输入输出脚通过接线插座CN1连接激光传感器、CN2到无线通讯机，CN1_1是数据输出接口；

所述外围支撑电路包括的电容C1、C2、晶体振荡器OSC1是主控制器IC1的时钟电路；电阻R1、电容C3是主控制器IC1的上电复位电路；电阻R2、电容C4是时钟控制器IC4的上电复位电路；二极管D1、D2、电池BT1是数据存储器IC3的存储器电源；CN4是主板连接显示器的接线插座，CN3是主板连接键盘的接线插座。

3.根据权利要求1所述的激光海上验潮仪，其特征在于所述主电源板部分包括主电源板电源输入接线插座PCN1和电源开关KK连接到主电源板的桥电路PD1，桥电路PD1的输出端接开关型三端稳压器IC20的输入，且通过主电源板输出接线插座PCN3连接无线通讯机，同时通过主电源板输出接线插座PCN2的一脚供电激光传感器；开关型三端稳压器IC20输出稳定的正5V电压供整个仪器的工作；电压比较器IC21是外部电瓶输入电压检测电路，其输入脚通过电阻R21连接到桥电路PD1的输出端，其输出通过主电源板输出接线插座PCN2的2脚连接到主板的主控制器IC1；主电源板的5V稳压由接线插座PCN2连接到主板的接线插座PN1。