張秀再

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

一種基于液壓傳感器的雨量計(jì)*

張秀再

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

為改善目前雨量測(cè)量的方法和手段，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)AT89S52的液壓傳感器雨量計(jì)。采用液壓傳感器作為測(cè)量器件，將液壓傳感器所測(cè)壓強(qiáng)減去大氣壓強(qiáng)求出一定高度雨水產(chǎn)生的壓強(qiáng)，根據(jù)重力加速度可以計(jì)算出被測(cè)雨水的高度。該系統(tǒng)測(cè)量精度較高，容易實(shí)現(xiàn)，具有一定的參考價(jià)值。

雨量測(cè)量；AT89S52；液壓傳感器

0 引言

降水量是用來衡量降雨多少的一個(gè)概念，是衡量某一個(gè)地區(qū)在某段時(shí)間內(nèi)降雨多少的數(shù)據(jù)量［1］。目前，氣象、水文部門使用的雨量計(jì)一般多為虹吸式雨量計(jì)或者是翻斗式雨量計(jì)。虹吸式雨量計(jì)由于虹吸過程中的降雨一并流失，所以產(chǎn)生流失誤差，并且降雨強(qiáng)度越大，誤差越大。由于測(cè)量裝置沒有電信號(hào)接口，所以無法進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。翻斗式雨量計(jì)通過來回翻動(dòng)兩個(gè)平衡的翻斗來記錄降水量，這種測(cè)雨方法操作簡(jiǎn)單，但存在小雨無反應(yīng)，大雨、暴雨時(shí)誤差值大的問題。因?yàn)閺?qiáng)降水時(shí)，翻斗來回翻動(dòng)的頻率太大，而每次翻動(dòng)翻斗內(nèi)都?xì)埓嬉稽c(diǎn)水，翻動(dòng)次數(shù)越多，誤差越大，且使用維護(hù)麻煩［2］。

針對(duì)虹吸式和翻斗式雨量計(jì)存在的問題［3］，為了減少蒸發(fā)和防止流失、滲透造成的雨量測(cè)量誤差，本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心基于液壓傳感器的雨量計(jì)，其特點(diǎn)是測(cè)量精度較高，實(shí)現(xiàn)成本較低，能在任何雨強(qiáng)大小的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量的自動(dòng)、準(zhǔn)確測(cè)量，并且可以通過單片機(jī)將數(shù)據(jù)記錄保存和通信傳輸。

1 液壓傳感器測(cè)量原理

液壓傳感器利用半導(dǎo)體材料硅壓阻效應(yīng)的測(cè)量原理［4］，當(dāng)液壓傳感器置入到容器內(nèi)被測(cè)雨水底部時(shí)，傳感器所承受的壓強(qiáng)為所在位置大氣壓與容器內(nèi)雨水產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和。假設(shè)液壓傳感器所在位置的大氣壓為p0，則液壓傳感器所測(cè)壓強(qiáng)p為：

式中：ρ為雨水密度；h為雨水高度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

由式（1）可以推算得到雨水高度h，即降雨量為：

通過間隔一定時(shí)間連續(xù)兩次測(cè)量的降雨量可以計(jì)算出某時(shí)間段的雨強(qiáng)［5］。圖1所示為液壓傳感器測(cè)量降雨量的示意圖。

圖1 液壓傳感器測(cè)量降雨量的示意圖

2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

雨量測(cè)量裝置如圖2所示。在降雨過程中，首先雨水進(jìn)入集雨器3，集雨口4收集雨水。然后，雨水通過進(jìn)水閥門5流入到測(cè)量筒6的左筒，并通過連通口9流入測(cè)量筒6的右筒，左右筒內(nèi)的液面高度保持相等。左筒底部因雨水下沖會(huì)增加底部受壓而右筒液面能夠保持平靜，可以避免因雨水下流的沖力影響測(cè)量結(jié)果，帶來測(cè)量誤差。測(cè)量筒6右筒的上端有出氣口8，可以使筒內(nèi)外的空氣流通，并且在必要時(shí)刻可以作為溢水口。出氣口8安裝在測(cè)量筒6右筒上端離底部200mm的警戒線以上位置。測(cè)量筒6右筒頂部封閉可以減少蒸發(fā)量。測(cè)量筒6右筒底部的液壓傳感器將測(cè)量的水壓傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)水壓與水深成正比的關(guān)系來計(jì)算雨水高度。因集雨口面積和測(cè)量筒雙筒底面的面積比為10：1，則實(shí)際雨量是直接測(cè)量雨水高度的0.1倍，而誤差也是測(cè)量誤差的0.1倍。而且，通過間隔一定時(shí)間連續(xù)兩次測(cè)量的降雨量可以計(jì)算出某時(shí)間段的雨強(qiáng)。

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)水閥門5和放水閥門11均為電磁閥門。其主要工作為：系統(tǒng)開始運(yùn)作時(shí)，放水閥門11關(guān)閉，進(jìn)水閥門5開啟，進(jìn)入正常的測(cè)量；當(dāng)測(cè)量筒內(nèi)的雨水高度達(dá)到200mm警戒線時(shí)，單片機(jī)通過電路控制進(jìn)水閥門5關(guān)閉，然后放水閥門11開啟，進(jìn)入放水階段。此時(shí)，雨水保持在集雨器內(nèi)不會(huì)造成流失誤差。放水完畢之后，放水閥門11關(guān)閉，進(jìn)水閥門5開啟，進(jìn)入正常測(cè)量階段。

3 硬件電路

3.1 硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件電路以AT89S52單片機(jī)為主控制器，還包括液壓傳感器測(cè)量模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、閥門控制模塊、鍵盤和顯示模塊。雨量計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 雨量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 人機(jī)通訊

人機(jī)通訊包括鍵盤掃描、LCD、蜂鳴報(bào)警三部分，鍵盤采用4×4矩陣掃描鍵盤，可以設(shè)置或調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)。顯示部分采用的是LCD1602液晶，蜂鳴器的作用是當(dāng)雨量超過設(shè)定值時(shí)，以鳴笛報(bào)警。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為WinAVR，開發(fā)語言為C語言。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)功能模塊劃分的程序主要有主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。

系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入鍵盤掃描狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，執(zhí)行按鍵響應(yīng)，否則單片機(jī)控制AD7705進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把測(cè)量的結(jié)果通過計(jì)算以后由LCD顯示出來。以此不斷進(jìn)行循環(huán)對(duì)雨量的實(shí)時(shí)測(cè)量。主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)論

基于單片機(jī)的控制和處理可以實(shí)現(xiàn)雨量測(cè)量的自動(dòng)化，單片機(jī)自動(dòng)控制進(jìn)水閥進(jìn)水和放水閥放水，可以連續(xù)不間斷自動(dòng)測(cè)量。雙閥門設(shè)計(jì)可以有效防止雨水流失造成的測(cè)量誤差。測(cè)量筒采用雙筒體下連通設(shè)計(jì)可以有效減小測(cè)量筒右筒因進(jìn)水而造成的液面波動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，整個(gè)裝置也不存在滲透誤差。進(jìn)水口面積是測(cè)量筒底面積的10倍，則實(shí)際誤差是將超聲波的直接測(cè)量誤差衰減到0.1倍。通過以上設(shè)計(jì)可以大大提高雨量測(cè)量的精度。

圖4 主程序流程圖

［1］黃功學(xué).水利水電工程基礎(chǔ)［M］.北京：中國水利水電出版社，2010

［2］中國氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2003：54－59

［3］舒大興，王志毅.JSP＿1型虹吸校正翻斗雨量計(jì)研制與特點(diǎn)［J］.水文，2009，29（6）：73－75

［4］夏勇.壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)［碩士論文］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（3）：640－645

［5］汪青春，李林，劉蓓，秦寧生，朱盡文.青海省近40年雨日、雨強(qiáng)氣候變化特征［J］.氣象，2005（3）：50－54

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.05

* 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CX10B＿303Z）和江蘇高等優(yōu)勢(shì)學(xué)科“傳感網(wǎng)與現(xiàn)代氣象裝備”建設(shè)項(xiàng)目資助（注：該資助項(xiàng)目沒有編號(hào)）