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 濟南 250100；2. 黃河水利委員會水文局， 河南 鄭州 450004）

0 引言

黃河下游多數水文站水文測船測驗使用機械六分儀進行垂線起點距測量，具有測量快捷，使用簡單，造價低廉，故障率低等特點，是其它現代化測距儀器無法替代的測驗設備，在水文測驗中占有十分重要的位置。

測驗時，在測流斷面的 2 個標志桿（或標志塔）上分別安裝 1 個標志燈，通過這 2 個標志燈確定測船是否在斷面線上；在基線端點標志桿上安裝 1 個基線標志燈，用于測量測船至基線端點的連線與斷面線的夾角，再根據夾角、基線長度計算測船的起點距位置。

夜間流量測驗，醒目的標志燈是不可缺少的測驗設施。目前大都使用白熾燈作為測驗標志燈，使用 220 V 交流電為標志燈提供電能。此類標志燈存在以下幾個方面的問題：1）需要架設專用輸電線路，在偏僻的鄉(xiāng)村盜割輸電線的現象時有發(fā)生，不但造成一定的經濟損失，而且影響正常的水文測驗，此外由于多數水文站駐地在農村，電力供應不如城市，有時停電會影響測驗；2）采用普通的白熾燈作為標志燈，此燈與其它光源無差別，極易與其它光源混淆，用六分儀交會時容易出現目標錯誤，造成起點距數據錯誤；3）白熾燈壽命短，經常需要爬上十幾米高的標志桿更換燈泡，給測驗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，根據標志燈實際應用和要求，研制了新型遙控閃光型 LED 測驗標志燈。

1 遙控閃光型 LED 測驗標志燈原理

根據設計要求，研制的遙控閃光型 LED 測驗標志燈由太陽能電池板、充電電路、蓄電池、遙控開關、光控電子開關、閃光電路、驅動電路、LED 發(fā)光板等 8 個部分組成，具體結構如圖 1 所示。

遙控閃光型 LED 測驗標志燈原理如圖 2 所示。

圖1 遙控閃光型 LED 測驗標志燈結構圖

圖2 遙控閃光型 LED 測驗標志燈原理圖

圖2 中各元器件功能簡述如下：D4 為保護二極管；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 為光控調整電位器，根據自然亮度調整標志燈點亮（或熄滅）的時刻；U1 為光敏三極管，用于檢測室外亮度；IC2 為與非門電路，含 4 個獨立單元，即 IC2A，IC2B，IC2C，IC2D；V1 為驅動管，驅動能力較強；D1，D2，D3 是 LED 發(fā)光板；R 為電阻。

1.1 光源（LED 發(fā)光板）的選擇

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行比較，并根據水文測驗要求選擇適合測驗的光源作為標志燈。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，經比較認為 LED 發(fā)光二極管的性價比遠優(yōu)于其它光源，發(fā)光效率遠大于白熾燈，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距測量。

1.2 蓄電池選擇

一般夜間測流 1 次，工作時間為 2 h。發(fā)光板標準工作電流為 960 mA，為了使標志燈醒目，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。

1.3 太陽能電池的選擇

根據蓄電池的容量和實際測驗所需容量，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。

1.4 充電電路

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。

1.5 遙控開關

YKQ-JSB 為遙控開關執(zhí)行部件，由單片機AT89C2051 核心部件及有關元件構成。以基線標志燈為例加以說明，當按下遙控器手柄的“基線”按鈕，發(fā)出基線點亮信息，基線燈箱的遙控開關 KA 閉合，蓄電池的電能送往整個電路，基線燈工作，發(fā)光板點亮；當按下遙控器手柄的“關”按鈕時，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。

1.6 光控電子開關

由 W，U1，IC2，IC2D[1]組成光控電子開關，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，此電平為光控開關的控制電平，該處的“0”電平表示關斷（斷），“1”電平表示打開（通）。白天 11 腳的“0”電平把閃光電路關閉，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。

這樣達到白天自動關閉標志燈的目的。

1.7 閃光電路

由 IC2A，IC2B[1]，C1，R3，R4 組成閃光電路，閃光電路實際是多諧振蕩器，振蕩頻率約為2 Hz 左右，波形為標準的方波。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）。

1.8 驅動電路

由 V1 和 R2 組成驅動電路，如果加大發(fā)光板的面積，可隨意把多個 V1 互相并聯使用，印刷板已經留有 V1 并聯的位置，擴容比較容易，其它不必做任何改動。驅動電路主要作用是提高 CMOS 的輸出功率，V1 基本不需驅動電流，可以輸出較大的電流，用于推動發(fā)光板發(fā)光。

1.9 遙控開關與光控開關的邏輯關系

標志燈的點亮與熄滅受光控和遙控的控制，邏輯關系如表1 所示。

表1 遙控指令和光控功能的邏輯關系表

遙控關燈指令有關燈有優(yōu)先權，不管是白天或夜晚，只要遙控器發(fā)關燈指令，標志燈均為熄滅狀態(tài)；不管遙控器發(fā)開燈或者關燈指令，只要是白天，標志燈均處于熄滅狀態(tài)。

1.10 工作原理

工作原理以基線標志燈（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，白天充電時發(fā)光二極管發(fā)黃色的光，表示太陽能電池產生電動勢。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，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 進行充電，補充電能。隨著充電時間的增加，蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小，當蓄電池電壓達到 13.8 V時，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 V1 處于截至狀態(tài)，發(fā)光板不發(fā)光。

2）夜間。若遙控開關關閉，整個電路（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、導通交替狀態(tài)，發(fā)光板閃爍發(fā)光。

遙控器上有“關”、“后斷面”、“前斷面”、“基線”4 個按鈕，其中“后斷面”、“前斷面”、“基線”對應控制 2 個斷面燈和 1 個基線燈，3 處的標志燈開燈控制是相互獨立的，按鈕“后斷面”、“前斷面”、“基線”是互不影響的，另外按鈕“關”是關閉鍵，按下此鍵則所有燈均關閉。

2 遙控閃光型 LED 測驗標志燈特點

1）采用太陽能電池作電能，不必架設專用供電線路；

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，目標更清晰；

3）采用遙控方式，開燈、關燈極其方便；

4）標志燈具有閃爍功能，目標更醒目，不易和其它光源混淆，避免了目標錯誤。

3 結語

新型遙控閃光型 LED 測驗標志燈已在山東黃河所有水文站推廣應用，夜間測驗效果良好。通過推廣使用說明：該燈發(fā)光亮度高，是夜間測驗最好的光源之一；在測船上可隨意開、關標志燈，操作極為方便；標志燈具有閃爍功能，目標更醒目；使用太陽能供電不必架設供電線路，節(jié)約了一次性建設投資；使用太陽能作能源，節(jié)能環(huán)保，可見經濟、社會效益顯著。遙控閃光型 LED 測驗標志燈在水文行業(yè)中極具推廣價值，建議使用六分儀進行起點距測量的水文站安裝該型標志燈，使之發(fā)揮重要作用。

[1]趙保經，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.