引言

降水量是衡量一個(gè)地區(qū)在某段時(shí)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(méi)有經(jīng)過(guò)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(yǔ)，按氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定，氣象站在有降水的情況下，每隔六小時(shí)觀測(cè)一次。6小時(shí)中降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為6小時(shí)降水量；24小時(shí)降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為24小時(shí)降水量；一個(gè)旬降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為旬降水量……一年中，降下來(lái)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(cè)液面上方，超聲波的傳播介質(zhì)為氣體。因?yàn)闅饨槭桨惭b較其他幾種方式最為方便靈活，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用氣介式超聲波傳感器。然而在傳統(tǒng)的超聲波測(cè)量方法中常使用溫度傳感器測(cè)量，若在單片機(jī)中存表實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，既增加了成本，也無(wú)法達(dá)到很高的精度要求，同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的目的。針對(duì)上述問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出了方案。

1 超聲波測(cè)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(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)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(shí)，在兩種密度不同、聲速不同的介質(zhì)界面上，會(huì)發(fā)生反射和折射。其反射率為：

當(dāng)聲波傳播到水面時(shí)，R≈1.超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到的障礙物所反射的回波來(lái)測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t,然后求出距離S.測(cè)量雨量液位是屬于測(cè)量面與點(diǎn)距離的性質(zhì)，液位、換能器與換能器所在測(cè)量參考平面之間存在一個(gè)角度，其測(cè)量如圖1所示。

式中：Y是換能器（R40和T40）之間的距離；So為測(cè)量三點(diǎn)構(gòu)成的幾何圖形面積；X1為R40到測(cè)量反射點(diǎn)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(shí)間；S為測(cè)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(jì)

本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、超聲波發(fā)射和接收電路、進(jìn)水排水及測(cè)量控制電路系統(tǒng)、報(bào)警電路及顯示電路、上位機(jī)通信電路、外圍保護(hù)電路等環(huán)節(jié)組成。具有實(shí)時(shí)測(cè)量雨量、存儲(chǔ)雨量信息、與上位機(jī)通信等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)在正常的測(cè)量狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制進(jìn)水閥開(kāi)啟。單片機(jī)在正常狀態(tài)下，先發(fā)射一個(gè)參考波形（頻率為40 kHz），然后經(jīng)過(guò)功放電路后，由T40發(fā)射。經(jīng)過(guò)功放電路。為減小誤差，需經(jīng)過(guò)過(guò)零調(diào)節(jié)電路后由單片機(jī)讀取信號(hào)。此后單片機(jī)通過(guò)計(jì)時(shí)計(jì)算速度，再發(fā)送一族波形計(jì)算實(shí)時(shí)的液位高度，通過(guò)每秒的高度差，計(jì)算雨量大小，并通過(guò)本地電路顯示，同時(shí)通過(guò)Modem傳送至上位機(jī)部分。

如果雨量過(guò)大，則蜂鳴器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；如果系統(tǒng)不能工作在正常狀態(tài)，則單片機(jī)通過(guò)控制命令，啟動(dòng)開(kāi)啟閥并放大后，使電磁閥工作并排水。

在測(cè)量的過(guò)程中，將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)距離，一個(gè)為擋板距離，另一個(gè)為液位高度。通過(guò)比較返回時(shí)間的先后來(lái)確定兩者的具體含義。在超聲波速度的檢測(cè)過(guò)程中，采用定時(shí)測(cè)量的方式，時(shí)時(shí)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(shí)際情況，本系統(tǒng)采用40 kHz4阼為發(fā)射頻率。單片機(jī)經(jīng)過(guò)編程產(chǎn)生40 kHz頻率后，經(jīng)過(guò)9015信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)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(guò)信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，送給單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器可以測(cè)出超聲波脈沖發(fā)生串發(fā)射至接收到回波信號(hào)所需的時(shí)間。連續(xù)發(fā)送10次，然后取平均值。

2.2 進(jìn)水排水及測(cè)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(shí)，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(cè)量桶上的緩沖桶截面積要大于測(cè)量桶，一般取倍。同樣為了避免盲區(qū)，由單片機(jī)控制并進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)后發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)水閥和排水器（通過(guò)開(kāi)啟電磁閥）進(jìn)行相應(yīng)操作。測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)量筒內(nèi)的水位低于某值h0或高于某值h1時(shí)，進(jìn)行控制并記錄水位之差。

2.3 與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信電路

上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC,屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)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(hào)反饋給上位機(jī)。簡(jiǎn)言之如此，實(shí)際情況千差萬(wàn)別，但萬(wàn)變不離其宗：上下位機(jī)都需要編程，都有專門的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

為了對(duì)降雨強(qiáng)度的變化進(jìn)行分析或測(cè)定水位漲落速度超限報(bào)警燈，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可用程序設(shè)定定時(shí)采樣，并送出數(shù)據(jù)，隨時(shí)比較分析。AT89S52負(fù)責(zé)從雨量監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集參考速度及雨量信息，并將其存入存儲(chǔ)器中，同時(shí)負(fù)責(zé)Modem的初始化工作，并實(shí)現(xiàn)通信所必須的撥號(hào)、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(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)是否按下K1來(lái)決定是否發(fā)射超聲波。首先發(fā)射參考波形，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，以計(jì)算實(shí)時(shí)速度，并存儲(chǔ)。如果超出范圍，則報(bào)警并開(kāi)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(guò)其他各環(huán)節(jié)的顯示、存儲(chǔ)或者處理。

4 誤差分析及校準(zhǔn)

在測(cè)量雨量液位的過(guò)程中，會(huì)因外界的因素帶來(lái)各種誤差，如環(huán)境變化帶來(lái)的聲速變化、超聲波回波聲強(qiáng)的影響、數(shù)據(jù)處理時(shí)的誤差等。下面就這些問(wèn)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)超聲波聲速。參考兩者的返回時(shí)間，即可利用單片機(jī)測(cè)量出雨量液位。該方法的誤差很小，不會(huì)因?yàn)闇囟取穸取鈮旱冉o系統(tǒng)帶來(lái)誤差。

4.2 過(guò)零誤差

回波的聲強(qiáng)與探頭距液位的遠(yuǎn)近有關(guān)系，實(shí)際測(cè)量雨量液位時(shí)可能不是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)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(gè)數(shù)及調(diào)整動(dòng)態(tài)比較電壓來(lái)減小誤差。另一方面，將求距離公式后加一個(gè)補(bǔ)償計(jì)時(shí)誤差也可減小該誤差。

4.3 觸發(fā)誤差

由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中要經(jīng)過(guò)放大整形等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，門控產(chǎn)生"開(kāi)、關(guān)門脈沖",受噪聲信號(hào)的影響，使得觸發(fā)時(shí)間帶來(lái)隨機(jī)誤差。觸發(fā)信號(hào)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(huì)造成超聲波的散射現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制進(jìn)行延遲提高抗干擾能力。另外對(duì)于數(shù)據(jù)誤差等。超聲波自身也會(huì)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(guò)同軸電纜與電路相連。

此外可以通過(guò)軟件方法，如數(shù)字均值濾波和相關(guān)濾波來(lái)抑制隨機(jī)噪聲。

5 注意事項(xiàng)

在安裝超聲波傳感器的時(shí)候，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）測(cè)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(cè)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(yǔ)

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(bǔ)償相比，該系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)測(cè)量的方法，使得測(cè)量更為準(zhǔn)確、方便。經(jīng)過(guò)分析，誤差滿足設(shè)計(jì)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(cè)量，適用范圍廣，是未來(lái)儀表的發(fā)展趨勢(shì)。