基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統(tǒng)設計

摘要：在分析傳統(tǒng)雨量液位測量系統(tǒng)的基礎上，使用氣介式超聲波傳感器和AT89S52單片機設計了一種新型的雨量液位測量系統(tǒng)。采用超聲波測距方法，實現(xiàn)雨量的高精度實時測量；利用固定擋板反射回波進行聲速校正，解決了溫度補償精度的問題；采用外圍保護裝置，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機通信的功能，可實現(xiàn)低成本、遠距離的控制和監(jiān)測。
關鍵詞：雨量液位測量；氣介式超聲波傳感器；單片機；AT89S52

0 引言
    降水量是用來衡量降水多少的一個概念，是指雨水(或融化后的固體降水)既不流走，也不滲透到地里，同時也不被蒸發(fā)掉而積聚起來的水的深度，通常以毫米為單位。雨量液位的測量是氣象部門對天氣系統(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，其他一些方法則無法實現(xiàn)對雨量數(shù)據(jù)的實時觀察與處理。超聲波傳感器以非接觸、高可靠測量，解決了其他一些方式帶來的纏繞、接觸介質等問題。根據(jù)超聲波換能器的安裝位置來劃分，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液面上方，超聲波的傳播介質為氣體。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，也無法達到很高的精度要求，同時也無法實現(xiàn)遠程通信的目的。針對上述問題，本系統(tǒng)設計給出了方案。

1 超聲波測量的基本原理
    根據(jù)聲學原理，當聲波從一種介質向另一種介質傳播時，在兩種密度不同、聲速不同的介質界面上，會發(fā)生反射和折射。其反射率為：
    
    當聲波傳播到水面時，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，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)設計
    本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、超聲波發(fā)射和接收電路、進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)過單片機控制進水閥開啟。雨水首先經(jīng)過濾網(wǎng)濾除冰雹等固體物質，進入緩沖桶(防止雨水的濺出及氣泡對超聲波測量的影響)后，經(jīng)過細長的玻璃管進入測量桶內。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)過一段時間后再由接收管接收，并經(jīng)過功放電路。為減小誤差，需經(jīng)過過零調節(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，則蜂鳴器會產生相應的報警信號；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)過編程產生40 kHz頻率后，經(jīng)過9015信號放大后驅動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，用于防護電路。測量桶上的緩沖桶用于強降雨時因濺出而引起的誤差，其要求是雨量的殘留量低。超聲波探頭安裝于測量桶頂部，間距100 mm(防止互相干擾)?？紤]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)，由單片機控制并進行放大驅動后發(fā)送信號驅動開水閥和排水器(通過開啟電磁閥)進行相應操作。測量時，當測量筒內的水位低于某值h0或高于某值h1時，進行控制并記錄水位之差。
2．3 與上位機的遠程通信電路
    為了對降雨強度的變化進行分析或測定水位漲落速度超限報警燈，以便遠程監(jiān)測，可用程序設定定時采樣，并送出數(shù)據(jù)，隨時比較分析。AT89S52負責從雨量監(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，同時負責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。上位機的軟件系統(tǒng)可以采用基于Windows的窗口化程序設計技術，可用Visual C++6．0開發(fā)，界面友好，實現(xiàn)方便。對于Modem的控制，使用AT命令來完成。而Modem具有自動呼叫、應答功能。通過發(fā)送命令ATDT65126747和應答命令ATZ可以形成通信鏈路。在收到其傳送的數(shù)據(jù)后，在其界面窗口上實時顯示、存儲。

3 軟件設計
    圖4為系統(tǒng)軟件設計流程圖。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。然后再發(fā)射超聲波，進行來回時間的計算，以判斷液面高度是否已超出量程范圍。如果超出范圍，則報警并開啟或關閉閥門，否則進行連續(xù)10次的調用，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
    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，利用在桶內下方安裝的擋板(距離已知)，實測超聲波聲速。測量的雨量液位上方的介質性質相同，故聲速也一樣。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近有關系，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)障礙物的距離調整脈沖群的脈沖個數(shù)及調整動態(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)，門控產生“開、關門脈沖”，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行延遲提高抗干擾能力。另外對于數(shù)據(jù)誤差等，可以通過提高時鐘頻率和提高超聲波換能器的固有頻率等來減少。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 結語
    該系統(tǒng)具有很高精度，而且節(jié)約硬件，能夠實現(xiàn)遠距離控制。與溫度補償相比，該系統(tǒng)利用實時測量的方法，使得測量更為準確、方便。經(jīng)過分析，誤差滿足設計要求。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。