吳金玲

（沈陽工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽 110136）

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計與要求

本雨量計校驗系統(tǒng)在整體設(shè)計上主要包括用戶輸入部分、雨量控制（模擬）部分、實時顯示部分及故障檢測部分等，主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能雨量計校驗系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

用戶可以通過鍵盤輸入所需要的雨量模擬值，液位檢測模塊負(fù)責(zé)檢測雨量模擬儲存箱的液位信息，當(dāng)雨量模擬儲存箱的液位低于最低設(shè)定值時，單片機(jī)給出相應(yīng)的控制信號，報警模塊啟動報警，并在上位機(jī)的顯示頁面上顯示相關(guān)信息以便提醒用戶及時加水；當(dāng)液位高于設(shè)定值時，系統(tǒng)保存當(dāng)前液位信息。首先單片機(jī)接收到用戶的輸入值后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理；然后輸出相應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，在驅(qū)動電路的作用下，步進(jìn)電機(jī)將帶動水閥的開與合，實現(xiàn)雨量模擬，并對系統(tǒng)實時監(jiān)測；最后給出校驗結(jié)果，即是否合格。

當(dāng)用戶輸入設(shè)定的雨量模擬值后，Arduino 單片機(jī)通過設(shè)定的算法給出校正數(shù)字量和相應(yīng)的閥門開度、放水時間以及液位下降目標(biāo)值，繼而輸出控制信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)打開閥門，當(dāng)達(dá)到放水時間時，單片機(jī)立刻給出控制信號，隨即電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行將閥門關(guān)閉。系統(tǒng)對水閥的開合程度進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時會給出相應(yīng)的提示與處理。在閥門打開并進(jìn)行雨量模擬的過程中，系統(tǒng)會記錄并統(tǒng)計被檢定雨量計的輸出信號。在雨量模擬結(jié)束之后，系統(tǒng)會顯示被檢定雨量計的測量值，并對測量結(jié)果進(jìn)行自動校驗。

2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的智能雨量計校驗系統(tǒng)的硬件主要包括Arduino UNO 板、液位檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示存儲模塊及監(jiān)視報警模塊等。

2.1 Arduino UNO 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)使用的是UNO 版本Arduino單片機(jī)，以ATmega328 MCU 主控芯片為核心的處理器，具有6 路模擬輸入，14 路數(shù)字輸入/輸出口，其中6 路可用于PWM 輸出，1 個USB 接口，1 個16 MHz 晶體電路，1 個電源接口，1 個ICSP leader 串行編程端口和1 個復(fù)位按鈕，可以非常簡單、方便地進(jìn)行各種信號地采集和控制回路的擴(kuò)展［1］。Arduino UNO單片機(jī)實物如圖2所示。

圖2 Arduino UNO單片機(jī)

2.2 液位檢測模塊

由于雨量模擬儲水室要保持足夠的水量，所以必須設(shè)置液位檢測模塊，可以隨時檢測儲水室的液位信息。本系統(tǒng)使用的是AJ-SR04M-T-X 超聲波測距模塊，其理論探測距離為20 cm～800 cm，在保證較高精度時其探測距離為20 cm～250 cm。該模塊與外部連接的有4 個引腳：直流電源端VCC、接地端GND、輸入啟動信號端Trig 及輸出測量信號端Echo［2］。將Trig 和Echo 引腳分別接至Arduino系統(tǒng)的數(shù)字信號I/O 口8 腳和9 腳。數(shù)據(jù)采集及處理具體過程如下：

1）Arduino 控制I/O 口8 腳輸出1 個大于10 μs的高電平，觸發(fā)模塊發(fā)出40 k的超聲信號；

2）在超聲信號發(fā)出時，I/O 口9腳讀入1個持續(xù)的高電平，直到檢測到回波；

3）測量距離=（I/O 口9 腳高電平持續(xù)時間*340 m/s）/2。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

雨量模擬的開始、停止以及模擬雨強(qiáng)大小均需要水閥來控制，而水閥的開啟、閉合以及開啟程度是需要步進(jìn)電機(jī)來控制的。步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的定位和速度控制。驅(qū)動電路的輸入端會一直檢測有無脈沖信號，當(dāng)沒有信號的時候，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不動；當(dāng)輸入端接收到脈沖信號時，轉(zhuǎn)子便以固定的角度（稱之為步距角）轉(zhuǎn)動［3］，步距角決定了步進(jìn)電機(jī)完成一轉(zhuǎn)所需要的步數(shù)，而內(nèi)部繞組的通電順序則決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。

本系統(tǒng)采用的電機(jī)驅(qū)動芯片是L298N，它是一種驅(qū)動能力很強(qiáng)的集成電路，并且體積小、啟動性好。其硬件電路如圖3 所示，其中續(xù)流二極管D1、D2、D3 和D4 構(gòu)成的“H 橋”作為L298N 的輔助電路，Arduino 單片機(jī)控制器通過ENA 對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，INT1和INT2分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向與制動。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計

根據(jù)國家氣象局出臺的相關(guān)雨量計檢定規(guī)程，雨量計檢定一般設(shè)置小雨、中雨和大雨3 種降雨強(qiáng)度［4］，本雨量計校驗系統(tǒng)提供小雨（0.5 mm/min）、中雨（1.0 mm/min 或2.0 mm/min）、大雨（4.0 mm/min 或5.0 mm/min），共5 種模擬雨強(qiáng)，模擬的雨量大小為10 mm 或30 mm。目前，我國采用的雨量計承水器直徑d大小為20 cm，因此雨量大小h為10 mm時，對應(yīng)的總降水量為

雨量大小為30 mm時，對應(yīng)的降水量為942 mL。

已知雨量計承水器直徑大小為d，雨量大小為h，放水時間為t，可得雨強(qiáng)大小：

水流量大小為

該雨量計校驗儀在不同雨強(qiáng)大?。ó?dāng)模擬降雨量為10 mm 和30 mm 時）下的放水時間，分別如表1和表2所示。

表1 模擬降雨量為10 mm時的放水時間

表2 模擬降雨量為30 mm的放水時間

系統(tǒng)的整體檢定流程如圖4 所示。系統(tǒng)上電后，首先檢查水閥和報警燈是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果在開始前水閥未關(guān)閉，可能會因為漏水而造成誤差，若檢測到閥門沒有關(guān)閉，則發(fā)出指令關(guān)閉閥門；校驗開始前必須確保雨量模擬儲水室內(nèi)的水量充足，因此需要啟動液位檢測模塊，若檢測到雨量模擬儲水室的水位低于最低設(shè)定值，則發(fā)出警報，提醒用戶及時加水，若檢測到水位高于設(shè)定值，則保存當(dāng)前液位值，繼續(xù)向下執(zhí)行。用戶通過上位機(jī)選擇所需要模擬的雨強(qiáng)（0.5 mm/min～5.0 mm/min）和降雨量大?。?0 mm/30 mm），系統(tǒng)讀取到用戶所輸入的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列換算得出總放水時間和步進(jìn)電機(jī)的步距角，繼而控制步進(jìn)電機(jī)打開閥門并計時，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的總放水時間時，控制閥門關(guān)閉。雨量模擬過程完成以后，系統(tǒng)讀取被校驗雨量計的輸出信號，從而計算出被校驗雨量計的誤差值，并顯示測量值和誤差值，同時給出判斷結(jié)論，即被校驗雨量計是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。

圖4 系統(tǒng)總體流程

3.2 步進(jìn)電機(jī)流量控制程序

Arduino UNO 系統(tǒng)讀取到用戶輸入的模擬雨強(qiáng)值后，通過計算，輸出相應(yīng)的控制信號，電動機(jī)驅(qū)動模塊接收到控制信號，便會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)和停止并控制步距［5］，閥門在步進(jìn)電機(jī)的帶動下實線開啟和閉合，從而通過不同的開啟程度控制水量。具體控制流程如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)流量控制流程

系統(tǒng)依據(jù)模擬雨量大小h及模擬雨強(qiáng)大小p，計算出相應(yīng)的總模擬降水量大小vi，進(jìn)而得到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的步數(shù)Ti，最終使模擬水量均勻地排出。當(dāng)用戶所選擇的模擬雨強(qiáng)較大時，步進(jìn)電機(jī)要增加轉(zhuǎn)動步數(shù)，閥門開啟程度加大，從而加大實時流量，放水時間隨之縮短；反之則減少轉(zhuǎn)動步數(shù)，閥門開啟程度減小，從而減小實時流量，放水時間隨之延長。當(dāng)計數(shù)時間達(dá)到目標(biāo)值時，即達(dá)到要求“降水量”時，單片機(jī)及時驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，迅速并精確地將水閥關(guān)閉。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的人工手動校驗方式相比，本文所設(shè)計的智能雨量計校驗系統(tǒng)自動化程度高，能夠有效地避免人為操作誤差，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、省時省力、易于維護(hù)。今后還需進(jìn)一步地提高步進(jìn)電機(jī)控制水閥的精度使流量更加均勻、精確，同時不斷改進(jìn)完善各個功能模塊，使整個雨量計校驗系統(tǒng)更加的穩(wěn)定智能，檢定結(jié)果更加精準(zhǔn)、可靠。