引言
降水量是衡量一個地區(qū)在某段時間內(nèi)降水多少的數(shù)據(jù)。降水量就是指從天空降落到地面上的液態(tài)和固態(tài)(經(jīng)融化后)降水,沒有經(jīng)過蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度。它的單位是毫米。降水根據(jù)其不同的物理特征可分為液態(tài)降水和固態(tài)降水。液態(tài)降水有毛毛雨、雨、雷陣雨、凍雨、陣雨等,固態(tài)降水有雪、雹、霰等,還有液態(tài)固態(tài)混合型降水:如雨夾雪等。"降水量"是氣象術(shù)語,按氣象觀測規(guī)范規(guī)定,氣象站在有降水的情況下,每隔六小時觀測一次。6小時中降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為6小時降水量;24小時降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為24小時降水量;一個旬降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為旬降水量……一年中,降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為"年降水量"其中,氣介式是指探頭安裝在被測液面上方,超聲波的傳播介質(zhì)為氣體。因為氣介式安裝較其他幾種方式最為方便靈活,故本系統(tǒng)設(shè)計采用氣介式超聲波傳感器。然而在傳統(tǒng)的超聲波測量方法中常使用溫度傳感器測量,若在單片機中存表實現(xiàn)補償,既增加了成本,也無法達(dá)到很高的精度要求,同時也無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的目的。針對上述問題,本系統(tǒng)設(shè)計給出了方案。
1 超聲波測量的基本原理
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的,它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。
根據(jù)聲學(xué)原理,當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時,在兩種密度不同、聲速不同的介質(zhì)界面上,會發(fā)生反射和折射。其反射率為:
當(dāng)聲波傳播到水面時,R≈1.超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到的障礙物所反射的回波來測出發(fā)射和接收回波的時間差△t,然后求出距離S.測量雨量液位是屬于測量面與點距離的性質(zhì),液位、換能器與換能器所在測量參考平面之間存在一個角度,其測量如圖1所示。
式中:Y是換能器(R40和T40)之間的距離;So為測量三點構(gòu)成的幾何圖形面積;X1為R40到測量反射點之間的距離;v為超聲波在上層介質(zhì)中傳播的速度;△t為從發(fā)射到接收一次的傳播時間;S為測量桶頂部距離液位的距離;H為桶頂部距離底部的距離;h為液位高度。
2 系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、超聲波發(fā)射和接收電路、進(jìn)水排水及測量控制電路系統(tǒng)、報警電路及顯示電路、上位機通信電路、外圍保護(hù)電路等環(huán)節(jié)組成。具有實時測量雨量、存儲雨量信息、與上位機通信等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)在正常的測量狀態(tài)下,經(jīng)過單片機控制進(jìn)水閥開啟。單片機在正常狀態(tài)下,先發(fā)射一個參考波形(頻率為40 kHz),然后經(jīng)過功放電路后,由T40發(fā)射。經(jīng)過功放電路。為減小誤差,需經(jīng)過過零調(diào)節(jié)電路后由單片機讀取信號。此后單片機通過計時計算速度,再發(fā)送一族波形計算實時的液位高度,通過每秒的高度差,計算雨量大小,并通過本地電路顯示,同時通過Modem傳送至上位機部分。
如果雨量過大,則蜂鳴器會產(chǎn)生相應(yīng)的報警信號;如果系統(tǒng)不能工作在正常狀態(tài),則單片機通過控制命令,啟動開啟閥并放大后,使電磁閥工作并排水。
在測量的過程中,將會出現(xiàn)兩個距離,一個為擋板距離,另一個為液位高度。通過比較返回時間的先后來確定兩者的具體含義。在超聲波速度的檢測過程中,采用定時測量的方式,時時更新速度。
2.1 發(fā)射電路
在氣體中的超聲波衰減量與距離的平方成正比,且頻率越高,衰減越大。根據(jù)實際情況,本系統(tǒng)采用40 kHz4阼為發(fā)射頻率。單片機經(jīng)過編程產(chǎn)生40 kHz頻率后,經(jīng)過9015信號放大后驅(qū)動T40發(fā)射電路。發(fā)射電路如圖3所示。接收探頭接收到回波,并經(jīng)過信號處理環(huán)節(jié)后,送給單片機。通過單片機的定時器可以測出超聲波脈沖發(fā)生串發(fā)射至接收到回波信號所需的時間。連續(xù)發(fā)送10次,然后取平均值。
2.2 進(jìn)水排水及測量控制電路系統(tǒng)
濾網(wǎng)用在冰雹、雨夾雪等特殊的工作環(huán)境下,用于防護(hù)電路。慮到超聲波有1 ms延時,存在盲區(qū)為34 cm,因此擋板與探頭的距離確定為350 mm.桶的頂部至頂部上層為500 mm,測量桶上的緩沖桶截面積要大于測量桶,一般取倍。同樣為了避免盲區(qū),由單片機控制并進(jìn)行放大驅(qū)動后發(fā)送信號驅(qū)動開水閥和排水器(通過開啟電磁閥)進(jìn)行相應(yīng)操作。測量時,當(dāng)測量筒內(nèi)的水位低于某值h0或高于某值h1時,進(jìn)行控制并記錄水位之差。
2.3 與上位機的遠(yuǎn)程通信電路
上位機是指人可以直接發(fā)出操控命令的計算機,一般是PC,屏幕上顯示各種信號變化(液壓,水位,溫度等)。下位機是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機,一般是PLC/單片機之類的。上位機發(fā)出的命令首先給下位機,下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)(一般為模擬量),轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機。簡言之如此,實際情況千差萬別,但萬變不離其宗:上下位機都需要編程,都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。
為了對降雨強度的變化進(jìn)行分析或測定水位漲落速度超限報警燈,以便遠(yuǎn)程監(jiān)測,可用程序設(shè)定定時采樣,并送出數(shù)據(jù),隨時比較分析。AT89S52負(fù)責(zé)從雨量監(jiān)測現(xiàn)場采集參考速度及雨量信息,并將其存入存儲器中,同時負(fù)責(zé)Modem的初始化工作,并實現(xiàn)通信所必須的撥號、連接、傳送、掛斷等功能。在收到其傳送的數(shù)據(jù)后,在其界面窗口上實時顯示、存儲。
3 軟件設(shè)計
圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。單片機通過檢測是否按下K1來決定是否發(fā)射超聲波。首先發(fā)射參考波形,通過計數(shù)器計數(shù),以計算實時速度,并存儲。如果超出范圍,則報警并開啟或關(guān)閉閥門,否則進(jìn)行連續(xù)10次的調(diào)用,并且取平均值。最后通過其他各環(huán)節(jié)的顯示、存儲或者處理。
4 誤差分析及校準(zhǔn)
在測量雨量液位的過程中,會因外界的因素帶來各種誤差,如環(huán)境變化帶來的聲速變化、超聲波回波聲強的影響、數(shù)據(jù)處理時的誤差等。下面就這些問題給出部分解決方案。
4.1 聲速誤差
溫度影響是其中最重要的誤差因素。使用實測溫度法不需要增加如溫度傳感器等硬件,利用在桶內(nèi)下方安裝的擋板(距離已知),實測超聲波聲速。參考兩者的返回時間,即可利用單片機測量出雨量液位。該方法的誤差很小,不會因為溫度、濕度、氣壓等給系統(tǒng)帶來誤差。
4.2 過零誤差
回波的聲強與探頭距液位的遠(yuǎn)近有關(guān)系,實際測量雨量液位時可能不是第一個回波的過零點觸發(fā),這種誤差不能完全消除,但可以根據(jù)障礙物的距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)及調(diào)整動態(tài)比較電壓來減小誤差。另一方面,將求距離公式后加一個補償計時誤差也可減小該誤差。
4.3 觸發(fā)誤差
由于信號在傳輸過程中要經(jīng)過放大整形等信號處理環(huán)節(jié),門控產(chǎn)生"開、關(guān)門脈沖",受噪聲信號的影響,使得觸發(fā)時間帶來隨機誤差。觸發(fā)信號越平坦,則誤差越小,故采用矩形波脈沖觸發(fā)。
4.4 其他誤差
作為液位器考慮到水泡、波浪等狀況的干擾,會造成超聲波的散射現(xiàn)象,通過對單片機的控制進(jìn)行延遲提高抗干擾能力。另外對于數(shù)據(jù)誤差等。超聲波自身也會受到干擾,可以注意印制板走線,注意屏蔽。另外,超聲波傳感器需要通過同軸電纜與電路相連。
此外可以通過軟件方法,如數(shù)字均值濾波和相關(guān)濾波來抑制隨機噪聲。
5 注意事項
在安裝超聲波傳感器的時候,還應(yīng)該注意以下幾點:
(1)測量傳感器到底部的距離一定要精確;
(2)為了防止吸收率太高造成的影響可選用量程稍大的換能器;
(3)安裝換能器的位置要與雨水入口有一定的距離,以防干擾超聲波的測量;
(4)換能器到控制電路之間的連接可以使用同軸電纜。
6 結(jié)語
該系統(tǒng)具有很高精度,而且節(jié)約硬件,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。與溫度補償相比,該系統(tǒng)利用實時測量的方法,使得測量更為準(zhǔn)確、方便。經(jīng)過分析,誤差滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)可以在惡劣的天氣條件下提供較高精度的雨量液位測量,適用范圍廣,是未來儀表的發(fā)展趨勢。
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