摘要：在分析傳統(tǒng)雨量液位測(cè)量" title="測(cè)量">測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，使用氣介式超聲波傳感器" title="傳感器">傳感器和AT89S52單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的雨量液位測(cè)量系統(tǒng)。采用超聲波測(cè)距方法,，實(shí)現(xiàn)雨量的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量,；利用固定擋板反射回波進(jìn)行聲速校正，解決了溫度補(bǔ)償精度的問(wèn)題,；采用外圍保護(hù)裝置,，使該系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中能正常使用。該系統(tǒng)還具有與PC機(jī)通信的功能,，可實(shí)現(xiàn)低成本,、遠(yuǎn)距離的控制和監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：雨量液位測(cè)量,；氣介式超聲波傳感器,；單片機(jī)；AT89S52
0 引言
降水量是用來(lái)衡量降水多少的一個(gè)概念,，是指雨水(或融化后的固體降水)既不流走,，也不滲透到地里，同時(shí)也不被蒸發(fā)掉而積聚起來(lái)的水的深度,，通常以毫米為單位,。雨量液位的測(cè)量是氣象部門對(duì)天氣系統(tǒng)分析研究的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)使用的虹吸式,、翻斗式的測(cè)量方法受外界因素的影響較大,，另外使用電容傳感器易受干擾，在暴雨,、冰雹,、雨雪天氣誤差較大時(shí),，其他一些方法則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀察與處理。超聲波傳感器以非接觸,、高可靠測(cè)量,，解決了其他一些方式帶來(lái)的纏繞、接觸介質(zhì)等問(wèn)題,。根據(jù)超聲波換能器的安裝位置來(lái)劃分,，又可分為氣介式、固介式和液介式三種,。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
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,。雨水首先經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)濾除冰雹等固體物質(zhì),，進(jìn)入緩沖桶(防止雨水的濺出及氣泡對(duì)超聲波測(cè)量的影響)后，經(jīng)過(guò)細(xì)長(zhǎng)的玻璃管進(jìn)入測(cè)量桶內(nèi),。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)一段時(shí)間后再由接收管接收，并經(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。測(cè)量桶上的緩沖桶用于強(qiáng)降雨時(shí)因?yàn)R出而引起的誤差,，其要求是雨量的殘留量低,。超聲波探頭安裝于測(cè)量桶頂部，間距100 mm(防止互相干擾),。考慮到超聲波有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
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,。上位機(jī)的軟件系統(tǒng)可以采用基于Windows的窗口化程序設(shè)計(jì)技術(shù),，可用Visual C++6．0開(kāi)發(fā)，界面友好,，實(shí)現(xiàn)方便,。對(duì)于Modem的控制，使用AT命令來(lái)完成,。而Modem具有自動(dòng)呼叫,、應(yīng)答功能。通過(guò)發(fā)送命令A(yù)TDT65126747和應(yīng)答命令A(yù)TZ可以形成通信鏈路,。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),。然后再發(fā)射超聲波,，進(jìn)行來(lái)回時(shí)間的計(jì)算，以判斷液面高度是否已超出量程范圍,。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,。測(cè)量的雨量液位上方的介質(zhì)性質(zhì)相同,，故聲速也一樣。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?、濕度,、氣壓等給系統(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,，可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率和提高超聲波換能器的固有頻率等來(lái)減少。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)。