（凝聚态物理专业论文）基于超声波传感器的自动雨量站.pdf

摘要 气象部门长期使用的雨量计为虹吸式或翻斗式的，虹吸式不能实现自动测量与数 据处理，翻斗式动态精度不高，同时，这两种方法测量降雨量存在较大的误差，随着 科技和社会发展的需求，对气象要素的自动采集和气象数据的自动存储、数据处理也 提出了更高的要求。利用超声波的特性并结合高性能的m c u 芯片，通过超声波发送 和接收到回波的时间间隔就可以实对测量出降雨量，并且具有较高的精度，以此为基 础研制出了雨量自动站；同时，自动站可以利用市话网实现与气象中心的数据通讯， 构成雨量测量网络系统。 雨量测量网络系统由安装于气象中心的主机系统和安装于各个雨量采集点的自 动雨量站两部分组成，两者通过市话网或移动网迸行通讯。 主机系统软件全部用v c + + 语言m f c 编制，效率高、速度快。可以与自动站进 行双向通讯，完成对各个自动站数据轮询采集并进行存储、处理，并生成图表，根据 采集的数据形成图表、打印，可以向自动雨量下载参数、时钟校准以及远程联网拨号 和控制。 自动雨量站包括外罩、接雨桶、进放水电磁阀、测量桶、蓄电池以及电控部分等 部分组成。它可以实现自动测量降雨量；具备实时时钟，按时间顺序记录历史资料， 系统至少能够记录1 月以上的历史资料；具备串行通讯接口，通讯接口应支持如下功 能：与p c 计算机的r s 2 3 2 接口、与电话网连接、与移动通讯网连接；具有后备电源， 在市电断电时能坚持工作1 天以上。这些功能的实现是通过系统中电控部分的电源、 时钟、存储、超声波脉冲信号发生、处理、温度采集、串行通信电路实现的。 超声波发射波和回波的时间间隔的测量利用了5 2 系列单片机的捕获方式，避免 了因为借助于中断服务程序来保存计数器的当前值所带来的误差。 同时在系统中还使用了1 2 c 总线结构的时钟芯片p c f 8 5 6 3 和内置r e s e t 、w d t 电路的串行e e p r o m 芯片c s l 2 4 c 0 1 ，它们不仅提供了电源和微控制器的监控功能、 不挥发性的数据存储区、实时时钟，而且其1 2 c 总线结构简化了电路设计。 超声波在水中传播的速度会随着温度的变化而他变化，如果不考虑温度对超声波 速度的影响将会带来大的误差，满足不了系统的要求。通过测得雨水的温度进而计算 出此温度下超声波在水中的传播速度，在软件中进行温度补偿，使测量精度大大提高。 系统的可靠性是影响其推广前景的重要因素之一。本系统在电源设计、电磁阀驱 动电路中的吸收回路设计、系统主电源和m c u 运行监控以及采集的对发射波与回波时 间间隔数据采用的冗余技术和数字滤波措施，保证了测控系统的可靠性和精确性。 a b s t r a c t s i p h o nt y p e a n dt i p p i n gb u c k e tt y p ep l u v i o m e t e ra r eu s e df o ral o n gt i m ef o r m e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n t t h es i p h o nt y p ec a nn o tr e a l i z e da u t o m a t i cm e a s u r e m e n t a n d d a t ah a n d l i n ga n dt h et i p p i n gb u c k e tt y p ed y n a m i ca c c u r a c yi sn o th i g h a tt h es a m et i m e ， t h eb i g g e ri n a c c u r a c ye x i s t si nt h e s et w ok i n d so fm e a s u r e m e n tm e t h o d s a l o n gw i t ht h e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n d t h er e q u i r e m e n to f s o c i e t yd e v e l o p m e n t ，t h ea u t o m a t i o n t ot h e m e t e o r o l o g i c a lf a c t o rg a t h e r sa n dm e t e o r o l o g i c a ld a t as a v e sa n d d a t ah a n d l i n gh a v eb e e n p u tf o r w a r d t ot h e h i g h e rr e q u i r e m e n t u s e t h ep r o p e r t yo f t h eu l t r a s o n i ca n d h i g h - p o w e r e d m c u r a i n f a l lc a nb em e a s u r e d 谢t l ll l i g hp r e c i s i o na tt h er e a l - t i m et h r o u g ht h et i m e i n t e r v a lb yw a yo ft h eu l t r a s o n i cs e n d sa n dr e c e i v e st h ee c h o b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ， a u t o m a t i cr a i n f a l ls t a t i o nc a l lb ed e v e l o p e d a tt h es a m et i m e ，d a t ac o m m u n i c a t i o n s b e t w e e na u t o m a t i cr a i n f a l ls t a t i o na n dm e t e o r o l o g i c a lc e n t e r t h r o u g ht h et e l e p h o n e n e t w o r k ，a n df o r mt h er a i n f a l lm e a s u r e m e n tn e t w o r ks y s t e m h o s tc o m p u t e r s y s t e m i n s t a l l e di n m e t e o r o l o g i c a l c e n t e ra n da u t o m a t i cr a i n f a l l s t a t i o n si n s t a l l e di ne a c hg a t h e r e ds p o ta r ct h et w op a r t so ft h er a i n f a l lm e a s u r e dn e t w o r k s y s t e m t h e s et w op a r t sc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb yt h et e l e p h o n eo rm o b i l e t e l e p h o n e n e t w o r k t h eh o s tc o m p u t e rs y s t e ms o f 如m ，w i t ht h ec h a r a c t e ro f e f f i c i e n c ya n dh i g hs p e e d ， i sp r o g r a m m e db yt h ev c + + l a n g u a g em f c t h eh o s tc o m p u t e r s y s t e m sf u n c t i o n sa r ea s f o l l o w s ： d u p l e x c o m m u n i c a t ew i t l la u t o m a t i cs t a t i o n d a t a p o l lg a t h e r t oe a c ha u t o m a t i cs t a t i o n s a v ea n dh a n d l et h ed a t a f o r m a ta n d p r i n td i a g r a m b a s e do nt h eg a t h e r e dd a t a d o w n l o a dt h ep a r a m e t e rt oa u t o m a t i cs t a t i o na n da d j u s tt h ec l o c k d i a l - u p t on e t w o r ka n d l o n g - d i s t a n c e c o n t r o l a u t o m a t i cr a i n f a l ls t a t i o nc o n s i s t so f o u t e r g a r m e n t ，m e e t r a i nb u c k e t ，w a t e ri n p u ta n d o u t p u te l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，m e a s u r eb u c k e t s t o r a g eb a t t e r ya n dc i m u i tc o n t r 0 1 i tc a n r e a l i z et h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n tr a i n f a l la n d s e q u e n c er e c o r dh i s t o r yd a t u mo nt i m ew i t h t h er t c ；t h es y s t e mc a nb et a k e nn o t e sh i s t o r yd a t u mm o r et h a n 1m o n t ha tl e a s t ； c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es u p p o r t e db yt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec a nl i n kw i t i l t h ep c s r s 2 3 2 ，t e l e p h o n en e t w o r ka n dm o b i l et e l e p h o n en e t w o r k ；i t c a np e r s i s ti n w o r k i n gw i t hb a c k u pp o w e rm o r et h a n 1 d a yw h e nt h e l o c a lj u n c t i o nc i r c u i ts t o p s p r o v i d i n ge l e c t r i c i t y t h e s ef u n c t i o n s a r er e a l i z e db yt h ec i r c u i t so f p o w e r , c l o c k ，m e m o r y , u l t r a s o n i cp u l s es i g n a lo c c u r sa n dh a n d l e ，t e m p e r a t u r eg a t h e r e da n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n i ns y s t e m t h em e a s u r e m e n to f t h et i m ei n t e r v a lo f u l t r a s o n i cs e n dw a v ea n de c h ou s e dt h ec a t c h m e t h o do f5 2s e r i e sm c u ，a n da v o i d e dt h ee r r o rt h a tt h ei s rs a v et h ec u r r e n tv a l u eo f c o u n t e r a tt h es a m et i m et h ec l o c kc h i pp c f 8 5 6 3a n ds e r i a le e p r o m c h i pc s l 2 4 c 0 1 、) l ，i t l l r e s e ta n dw d tc i r c u i to f1 2 cb u sa r eu s e di nt h es y s t e m t h e yh a v en o t o n l yp r o v i d e d t h e n o n v o l a t i l i t yd a t as t o r a g ea r e a , t h es u p e r v i s i o na b i l i t yo f p o w e rs u p p l ya n dm c u a n dt h e r t c ，a n di t s1 2 cb u ss t n a e t u r eh a sb e e ns i m p l i f i e dt h ec k c u i td e s i g n t h ev e l o c i t yo fu l t r a s o n i ci nw a t e rc a nb ec h a n g e da l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h e t e m p e r a t u r e i tw i l lb r i n gb i g g e ri n a c c u r a c ya n dc a n n o tr e a c ht h er e q u i r e m e n to f s y s t e mi f t h et e m p e r a t u r ef a c t o r sa r en o tc o n s i d e r e di n t h r o u g ht h e t e m p e r a t u r eo f t h er a i n w a t e rt h e v e l o c i t y o fu l t r a s o n i ci nt h i s t e m p e r a t u r e c a l lb ec a l c u l a t e d t h e h i g h m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n c a nb eo b t a i n e d u s i n gt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i ns o f t w a r e t h r o u g h t h e c a l c u l a t e dv e l o c i t y t h es y s t e m a t i cr e l i a b i l i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c ei t s s p r e a d p r o s p e c t t h e m e t h o dt h a ta b s o r br e t i e lc i r c u i t d e s i g n u s e di n p o w e rd e s i g n a n d e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ed r i v ec i r c u i t ，s y s t e mp o w e ra n do p e r a t i n gs u p e r v i s i o nt om c u a n d r e d u n d a n c ya n dd i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g yt ot h et i m ei n t e r v a lt os e n dw a v ea n de c h oa r e u s e di ns y s t e m d e s i g n t oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo f m e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m 第一章引言 第一节国内外雨量测量的现状和发展趋势 长期以来，气象部门使用的雨量计为虹吸式或翻斗式的，而国际上交换的气象雨 量资料则是用人工观测的。 虹吸式雨量计由接雨桶、测量桶、虹吸管、机械时钟记录器等组成，其工作原理 是接雨桶的降雨流入测量桶，由机械时钟记录器对降水过程进行记录( 水笔描出曲 线) ，当测量桶的水位达到l o m m 时，开始一次虹吸过程，将接雨桶的水放完，等待 下次虹吸过程。这种测量方法存在两个主要问题：1 、测量结果没有电信号接口，不 能实现自动测量与数据处理；2 、虹吸过程大约有2 0 秒左右，在虹吸过程中的降雨一 并流失，产生降水的流失误差，降水强度越大，误差越大。 翻斗雨量计的工作原理是：一个杠杆机构，一端是砝码，另一端是翻斗，翻斗 的质量小于砝码的质量，接雨桶的雨水流入翻斗。当翻斗与雨水质量的和大于砝码质 量时，翻斗动作，翻斗内的雨水被放掉，相关的干簧管节点瞬间动作并发出一个脉冲 信号，翻斗一侧质量重新小于砝码的质量，下一次测量过程重新开始。记录脉冲信号 的个数，可以计算出累计雨量。这种测量方法简单，但其动态精度不高。尤其在强降 雨时，误差更大。 随着科学技术的发展和社会发展的需求，国际上( 包括我国) 对气象要素的自 动采集和气象数据的自动存储、数据处理提出了更高的要求。中国气象局“大气监测 自动化”项目正在实施，完成时间为1 9 9 8 - - 2 0 0 5 年，主要是安装在地级市的新一代天 气雷达和县市级的多要素自动气象站。在气象要素( 气压、气温、湿度、风向、风速、 雨量等) 自动采集系统中，雨量是最重要的参数之一，同时也是布点最密集的气象要 素，按照规划，雨量采集站将布到乡镇一级( 按照河南省气象局的部署计划，中尺度 观测网布置到乡镇级。据估算，全省有2 0 0 0 个左右乡镇，保守计算建设4 0 也有8 0 0 个) 。因此研制精度高、性能可靠、价格相对低廉的雨量采集自动站具有可观的经济 效益和重大的社会效益。 第二节自动雨量站的研制工作 鉴于目前现状，提出了一种精确的自动测量和处理的新型系统即自动雨量站的研 究工作。 一该系统应满足如下观测要求 l 、超声波原理测量雨量，要求探测手段有创新，测量精度更高； 2 、资料时空连续性，详细记录雨量的变化，能把多个地点的资料连成网络，提 高预报和服务决策水平； 3 、有高的可靠性。 二设计指标 测量精度：o 1 毫米( 雨量小于l o i t l l n 时) ； 强降水误差：小于1 ( 雨量大于1 0 咖时) ； 该设计指标所提的精度要求比目前的测量手段提高了4 倍( 目前分别为0 4 m m 和4 ) ，达到了气象部门自动采集所要求的精度。 郑州大学物理工程学院与河南省气象技术装备中心合作，于2 0 0 1 年开始了自动 雨量站的研究工作，在2 0 0 2 年初作出了样机，通过使用效果很好，该成果于2 0 0 2 年9 月通过了省科技厅组织的科技成果鉴定。作为研究生，本人参与了该课题的研发 工作，具体工作内容：参与了调研工作、参与了电路的设计与调试、参与了部分程序 的编制工作。 2 第二章雨量测量网络系统的系统组成 第一节雨量测量网络系统的组成框图及功能 一系统的总体构成 如图2 1 所示，该系统由安装于气象中心的主机系统和安装于各个雨量采集点的 自动雨量站两部分组成，两者通过市话网或移动网进行通讯。 图2 - 1 雨量测量网络系统的系统组成 1 、主机系统的功能 与自动站进行双向通讯 完成对各个自动站数据轮询采集并进行存储、处理。 图表生成，根据采集的数据形成图表、打印 向自动雨量下载参数、时钟校准 2 、自动雨量站完成的功能 与主机进行双向通讯 完成雨量的自动测量 每一分钟雨量数据的存储( 如果该时刻与上一分钟的雨量没有变化，则不予 存储) 。 数据的源头为自动雨量站，而测量雨量用的是超声波传感器，所以有必要对超 声波传感器做一介绍。 第二节超声波传感器及液位测量原理 一超声波的基本性质及检测原理 声音是由物体振动产生的，人耳能听到的声波频率在2 0 h z - - 2 0 k h z 之间。超过 2 0 k h z 的称为超声波，低于2 0 h z 的称为次声波。常用的超声波频率为几十k h z 到几 十m h z 。 超声波是机械振动在弹性介质中的传播。超声波的波形有三种形式。质点振动方 向与传播方向一致的波为纵波，它能在固体、液体或气体中传播。质点振动方向垂直 于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动解与纵波和横波之间，只 能沿着固体表面传播，工业应用中主要采用纵波。 1 1 超声波的基本性质 l 、传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。对于液体及气体，其传播速度 c 3n1 pb a 式中，p 介质的密度，ba 绝对压缩系数 在气体中，其传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中的传播速度 c = 3 3 1 5 + 0 6 0 7 t 在水中的传播速度可以表示成下式： v t = 1 5 5 7 0 0 2 4 5 ( 7 4 - t ) 2 式中，t 环境温度。 对于固体，其传播速度 c = 一e ( 卜1 t ) p ( 1 + u ) ( 而 式中，e 固体弹性模量；l l 泊松系数。 2 、反射及折射 超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部分能量反射回原介质，称为 反射波：另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波，如图2 2 所 示。 对于反射波，反射角等于入射角q = a ；对于折射波，有 s i n c l c 1 _ - _ _ 一一_ 一 s i n bc 2 4 式中，c l 超声波在介质1 中的速度； c 2 超声波在介质2 中的速度； a 入射角 b 折射角 3 、超声波的衰减 超声波在一种介质中传播时，随着传播距离的增加，由于介质吸收能量而使声压 和声强按指数规律衰减。距离声源x 处的声压p 和声强i 为 1 ) ：- - p o e a ) 【 i = 1 0 e - 2 a 】【 式中，p o 、i 卜距声源x = o 处的声压和声强 x 一超声波与声源间的距离； a 衰减系数。 射波 反射洌 ? u对 介质1? ， 介质2 图2 - 2 超声波的反射和折射 衰减系数与介质密度及波的频率有很大关系。气体密度小，衰减快，尤其在频率 高时衰减更快。因此，在空气中采用的超声波频率较低( 几十k i - i z ) ，而在固体、液 体中则频率较高。 利用超声波的特性，可制成各种超声波传感器，广泛应用于工业生产、医疗、通 讯等行业中。 二超声波传感器 超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。超声 波探头既能发射超声波信号又能接收超过声波信号。 金属壳 吸收块 保护膜 图2 - 3 压电式超声波探头结构 导电螺杆 接线片 晶片 超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头按 其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常 见。 压电式探头主要由压电晶片、吸收块( 阻尼块) 、保护膜组成，其结构如图2 - 3 所示。压电晶片多为圆板形，其厚度与超声波频率成反比，若晶片厚度为l m m ，自 然频率约为1 8 9 m h z ，厚度为o 7 m m ，自然频率为2 5 m h z 。压电晶片的两面镀有银 层，作为导电极板。 阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的 电脉冲信号停止后，晶片将会继续振动，加长超声波的脉冲宽度，使分辨力变差。 在系统中，我们采用了压电式超声传感器，工作频率5 m h z ，型号为5 p 1 4 。 三超声波测液位 在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油位，水位等的液位测量。图2 _ 4 为超声波测料位传感器的结构图。它是由圆筒形的电致伸缩压电元件制成，它产生的 超声波镜反射体反射后成9 0 角发射。传感器能发射，同时也能接收。 图2 - 4 超声料位传感器的结构 图2 5 为脉冲回波时测量液位的工作原理图。由超声波探头发出的超声脉冲通过 介质到达液面。经液面反射后由被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和 在介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数 量的不同，可分为单探头液介式( 图( a ) ) 、单探头气介式( 图( b ) ) 、单探头固介式( 图( c ) ) 、 双探头液介式( 图( d ) ) 等数种。 6 冒刮型鲤 ( a )( c )( d ) 吲 第三节自动站的总体构成及雨量的测量方法 超声波应用范围很广，用超声波测量雨量方法有很多优点：l 、测量精度高，2 、 响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量，3 、非接触测量，性能稳定可靠，对 液体的物理化学性质的适应性极强( 如：不怕酸碱等强腐蚀性液体等) 。基于超声波 的测量原理，见图2 - 6 ，自动站由以下几部分组成：外罩、接雨桶、进水电磁阀、测 量桶、放水电磁阀、蓄电池以及电控部分等部分组成。 超声波测量液位的基本原理是：由超声探 头发出的超声脉冲信号，在液体中传播遇到空气 与液体的界面后被反射，接收到回波信号后能 得到超声波传播时间，根据其传播速度和传播 时间计算出其传播距离，得到液位高度。本系 统利用a t 8 9 c 5 2 单片机的捕捉功能实现对超声 波信号进行准确的计时，从而实现了高精度的 液位测量。基于这个原理，以a t 8 9 c 5 2 为核心， 通过接口电路，可以组成一个具有实时时钟、 自动测量、数据存储以及通讯等功能的自动雨 量站。 图2 - 6 自动站组成 在系统中，超声波探头5 p 1 4 安装在一个测量桶的下面，测量桶高度2 0 0 r a m 。测 量桶上面安装接雨桶，接雨桶的截面积约为测量桶的1 0 倍，测量桶测量的液位除以 固定系数( 该系数约为l o ，可以精确设定) ，即得到实际的雨量值。测量桶下侧接一 个放水阀，上侧接一个进水阀。探头上面要保留2 0 m m 以上的水位以避开测量盲区( 测 量盲区约为8 r a m ) 。测量时，当测量桶内水位低于1 7 0 r a m 时，放水阀关，进水阀开， 进入正常测量状态。如果桶内水位高于1 7 0 m m ，关闭进水阀，记录水位，打开放水 阀放水，当放到最低时，关闭放水阀，记录两个水位之差，打开进水阀，测量过程重 新开始。 第四节自动站中电控部分组成 自动站应达到如下功能：l 、自动测量降雨量；2 、具备实时时钟，按时间顺序记 录历史资料，系统至少能够记录1 月以上的历史资料；3 、具备串行通讯接口，通讯 接口应支持如下功能：与p c 计算机接口的r s 2 3 2 接口、与电话网连接、与移动通讯 网连接；4 、具有后备电源，在市电断电时能坚持工作1 天以上。 d s l 8 2 0 g n d 图2 7 系统电控部分组成 交流输入电池输入 为实现上述功能，该系统电控部分组成由如图2 - 7 所示：包括直流电源、最小系 统( 由a t 8 9 c 5 2 和c s l 2 4 c 0 2 1 构成) 、时钟电路、h k l 2 3 5 存储电路、超声波脉冲信 号发生电路、脉冲信号采集电路、温度信号采集电路、电磁阀驱动电路、串行通信单 元以及工作状态指示灯电路。 一直流电源 直流电源部分包括两个功能：交流直流转换和蓄电池充放电管理，蓄电池采用 1 2 v 、6 a h 铅酸免维护蓄电池。电器系统平均工作电流为8 0 m a 左右，在交流断电情 况下自动站能坚持工作两天以上( 电池不会过放电) 。 二最小系统 该系统的核心是a t 8 9 c 5 2 。a t 8 9 c 5 2 从引脚到内部指令均与m c s 5 1 系列单片机 兼容，除具备8 0 3 l 的资源外，它有如下特点：i 、除特殊功能寄存器f s r 外仍有2 5 6 字节内部r a m ( 0 0 h - 7 f h 可直接寻址或寄存器间接寻址，8 0 h f f h 只能寄存器间接 寻址) 。2 、片内具有8 k 字节f l a s he p r o m ，使用时不需要外接程序存储器。3 、 除了定时器0 和1 外，还有一个1 6 位的定时计数器2 ，该定时计数器除了具备定时 器0 和1 的工作方式外，还具备特殊的工作方式即捕捉方式。 定时计数器2 工作于捕捉方式时，定时计数器2 为1 6 位定时器，其时钟频率为 晶振频率的1 2 分频，1 6 位的实时累加值放在寄存器对t l 2 、t h 2 中，当引脚p 1 1 ( p 1 1 的第二功能) 出现下降沿时( 从高电平到低电平的跳变) 时，t l 2 、t h 2 的值分别送 入陷阱寄存器对r c a p 2 l 、r c a p 2 h 中，r c a p 2 l 、r c a p 2 h 中的内容一直保留到下 一个下降沿的出现。这种工作方式是该雨量站精确测量液位的基础。 最小系统的另一个器件是c s l 2 4 c 0 2 1 。该器件属于1 2 c 总线接口器件，与8 9 c 5 2 接口只需要2 根i o 线s d a ( 接a t 8 9 c 5 2 的p 1 6 ) 和s c l ( 接a t 8 9 c 5 2 的p 1 7 ) 。 2 4 c 0 2 1 功能：2 k 字节e 2 p r o m 、m c u 监视定时器( 包含v c c 监空控和w a t c h d o g 功能) ，在该系统中，2 4 c 0 2 1 既作为重要参数存储电路，又作为系统m c u 的复位电 路。 三时钟电路 时钟电路采用了单片实时时钟，日历芯片p c f 8 5 6 3 ，该芯片也属于1 2 c 总线接口 器件，与8 9 c 5 2 接口只需要2 根i 内线s d a (a t 8 9 c 5 2 的p 1 6 ) 和s c l (a t 8 9 c 5 2 9 的p 1 7 ) 。 四存储电路 自动站大批的历史数据存储在h k l 2 3 5 存储器中。h k l 2 3 5 容量为3 2 k 字节，内 置锂电池，属于不挥发型r a m 。a t 8 9 c 5 2 与7 4 h c 5 7 3 连接，利用p 0 口、p 2 口、 a l e 、r d ( p 3 7 ) 、w 喂( r , 3 6 ) 构成1 5 位地址线、8 位数据线以及读写线与h k l 2 3 5 接口。存储数据格式为年、月、日、时、分、3 字节雨量信息共8 个字节，采用整分 记录方式，存储间隔为1 分钟，如果该分钟液位与上一分记录的液位钟数据相比无变 化，该分钟数据不予记录。采用这种存储方式，该存储器可以存储半年以上的历史数 据。 五超声波脉冲信号发生电路 该部分主要由微分电路和驱动电路组成。a t 8 9 c 5 2 的p 1 0 发出的脉冲信号经微 分电路后通过可控硅去控制6 0 0 v 的高压，形成高压脉冲信号，再由该信号去驱动超 声探头，把电能换成机械能，产生超声波。 六超声波脉冲信号处理电路 该电路不但能采集到回波信号，而且也能采集到发射脉冲信号。电路主要由限幅 电路和比较电路以及单稳态触发电路组成。超声探头的脉冲信号经过限幅电路之后， 信号幅值被限制在5 v 一5 v 之间，经过比较电路之后形成一个脉冲信号，由该脉冲信 号去触发单稳态触发电路7 4 l s l 2 1 ，从而形成一个窄脉冲信号，接到a t 8 9 c 5 2 的p 1 1 引脚。该引脚出现发射脉冲和接收脉冲的下降沿时，形成捕捉事件，a t 8 9 c 5 2 会自 动将t l 2 、t h 2 的值t l 2 、t h 2 的值分别送入陷阱寄存器对r c a p 2 l 、r c a p 2 h 中， 并且产生一个捕捉中断。将两次取到的r c a p 2 l 、r c a p 2 h 中的值相减，其差即为超 声波传输时间的2 倍。 七温度采集电路 由于超声波在水的传播速度受温度的影响，精确的测量需要做温度补偿。这里我 们用数字温度计d s l 8 2 0 来采集温度信号，用该信号可准确测量超声波的传播速度。 1 0 d s l 8 2 0 是美国d a l a s 公司推出的单线串行数字温度计，测量范围为- 5 0 至+ 1 2 5 摄 氏度，精度为o 5 摄氏度。它外形与三极管相同。d s l 8 2 0 遵循严格的单线串行通信 协议，每一个d s l 8 2 0 在出厂时都用激光进行了调较，并具有唯一的6 4 位序列号。 它工作时不需专门的电源，电源可以通过数据总线供给。也就是说只要两根线，一条 是数据线，一条是地线。在本系统中采用的是接口方法如图2 中所示，d s l 8 2 0 的三 个引脚分别接电源v s s ，数字地g n d ，u o 引脚和a t 8 9 c 5 2 的p 3 4 相连接。 八串行通信电路 a t 8 9 c 5 1 具有u a r t 接口，通讯接口线为r x d ( v 3 o ) 、t x d ( v 3 1 ) ，通过该串行 接口，自动站可以将当前数据和历史资料该以及设备运行状态传送给上位机，也可以 接收上位机发送的命令。考虑到远程和无人职守的特点，通讯通道电路设计如下： 1 、标准r s 2 3 2 接口 利用m a x i m 公司的芯片m a x 2 3 2 将r x d 、t x d 两个1 v r l 电平转为r s 2 3 2 电 平，构成标准三线的r s 2 3 2 接口( r x d 、t x d 、g n d ) 【2 】。m a x 2 3 2 是m a x i m 公 司出品的接口芯片，可以进行订l 电平与r s 2 3 2 电平的转换，该芯片内带电源提升 泵，工作时只需单5 v 电源而无须外接1 2 v 电源，使用方便而且性能可靠。 自动站的r s 2 3 2 接口可以直接与当地的p c 计算机相连，也可以直接与 i n t e r c e l 公司的w m o d 2 b 双频外挂式m o d e m 连接，借助移动通讯网进行无线 远程传输。 2 、嵌入式m o d e m 电路中除了与m a x 2 3 2 芯片接口外，通过逻辑设计，r x d 、t x d 信号线与西安 北斗星数码公司的b d x m d 一1 嵌入式m o d e m 模块连接，借助电话网利用拨号进行 远程通讯。b d x m d 1 嵌入式m o d e m 模块支持v 2 2 b i s 、v 2 2 、v 2 3 、v 2 1 、b e l l 2 0 2 、 b e l l 2 0 2 t 、b e l l l 0 3 标准，通讯速率2 4 0 0 b p s 。 九驱动电路 电路中，进水阀和放水阀是通过p 1 4 、p 1 5 驱动n 沟道场效应管i r f 5 3 0 实现的， 进水阀采用常开型电磁阀，放水阀采用常闭型电磁阀，一般情况下两个阀均不动作， 确保系统消耗小的功率。p 1 2 、p 1 3 分别驱动探头工作指示灯和通讯状态指示灯。 一自动测量过程 第五节自动测量功能的实现 在系统中，超声波探头5 p 1 4 安装在一个测量桶的下面，测量桶高度2 0 0 m m 。测 量桶上面安装接雨桶，接雨桶的截面积约为测量桶的1 0 倍，测量桶测量的液位除以 固定系数( 该系数约为l o ，可以精确设定) ，即得到实际的雨量值。测量桶下侧接一 个放水阀，上侧接一个进水阀。探头上面要保留2 0 m m 以上的水位以避开测量盲区( 测 量盲区约为8 r a m ) 。测量时，当测量桶内水位低于1 7 0 m m 时，放水阀关，进水阀开， 进入正常测量状态。如果桶内水位高于1 7 0 m m ，关闭进水阀，记录水位，打开放水 阀放水，当放到最低时，关闭放水阀，记录两个水位之差，打开进水阀，测量过程重 新开始。 性能分析： 在系统中单片机的晶振频率为2 0 m h z ，经过1 2 频后，机器周期是t = 0 6us ，而 我们每次发射完脉冲后最多等待l m s 。在这段时间内，最大所测水的深度 h - - - t + u 2 = l m s + 1 4 8 0 m $ - 1 2 = 7 4 0 m m 。这个远远超出了我们所要测量的液体的最大深度 2 0 0 m m 的要求。该系统的时间分辨率是一个机器周期即t = 0 6 i ls ，所测液位的分辨 率为l = t * u 2 = 0 6l l8 * 1 4 8 0 m $ - 1 2 = 0 4 4 4 m m 。 测量桶有效量程为1 5 0 m m ，分辨率为0 4 4 4 m m ，折合实际雨量为1 5 m m ，分辨 率0 0 4 4 4 m m ，非线性误差的理论值为0 3 。在雨量测量中，水面平稳，在程序处理 中采取了多项数字滤波措施( 如：一个数据的获取，需要1 8 对有效发射脉冲和回波 脉冲，取中间8 个数据进行算术平均) ，保证了该系统的高分辨率和高线性度。 气象部门要求雨量的测量误差为小于0 4 r a m ( 雨量小于1 0i t l n 时) 或误差优于4 ( 雨量大于1 0 n l i t i 时) ，该系统实际测量误差小于o i m m ( 雨量小于1 0r a i n 时) ，非线 性误差优于o 5 ( 雨量大于1 0m n l 时) 。符合气象系统要求，达到了设计任务的要 求。目前该自动站在郑州市气象局测量雨量系统( 雨量计) 中得到应用，系统运行性 能稳定可靠。经河南省气象计量站检测，检测结果如下： 实际雨量5 m m ，测量数值4 9 8 0 m m 实际雨量1 0 m m ，测量数值9 9 8 0 m m 一电路组成 第三章控制电路中若干关键技术的研究 第一节超声波信号的产生与处理 图3 2 为超声波信号的产生与处理电路，其工作原理如下： 1 、可控硅触发信号的形成。在常态下，p u l s eo u t 为高电平，此时电容c 1 处于稳态，相当于开路状态，p n p 三极管p l 处于截止状态，其集电极输出电压为0 v ， 电容c 2 处于稳态，相当于开路状态，可控硅b t l 5 1 的触发端为0 v ，可控硅不导通。 当p u l s eo u t 出现一个窄的低脉冲，c 1 、c 2 与其他元件( r 1 、r 2 、r 1 5 、 r 3 、p 1 ) 配合构成微分电路，可控硅的控制端出现一个正的触发脉冲，可控硅瞬时 导通。 2 、传感器的电信号。可控硅瞬时导通时，其阳极的电压由6 0 0 v 变到接近0 v ， 经电容c 3 、r 6 、r 7 、d 1 、d 2 、r 1 0 耦合到超声波传感器上，传感器( 探头) 上加了 一个负的脉冲电压，并形成了一个正负都有的阻尼振荡。探头加上电信号后产生超声 波脉冲，超声波在水中传播，遇到水的上界面后反射，反射的回波在水中传播至探头 后做用于探头，形成回波电信号。 3 、检波电路。探头上的电信号通过限幅电路( z 1 、z 2 、d 5 、d 6 ) 经二极管d 7 、 电容c 8 形成了被检波，在比较器l m 3 1 1 的反相输入端上先后形成了发射波正脉冲 和回波正脉冲。 p u l s e 。1 厂一 探头信号 v 3 - 、_ 、l 一 刚瞄一 厂 厂一 图3 - 1发射波和回波信号形成 4 、r r l 脉冲的形成。l m 3 1 1 为比较器，当其反相输入端上先后形成了发射波正 脉冲和回波正脉冲时，其输出端形成了对应的负脉冲，该信号加在7 4 l s l 2 1 的输入 引脚3 上。7 4 l s l 2 1 、r 8 、c 5 构成了单稳电路，当其引脚3 上先后有发射波负脉冲 和回波负脉冲时，其输出端将先后出现脉冲宽度为1 0 1 ts 左右的负脉冲，其电平为 t t l 电平，两个脉冲下降沿之间的间隔为超声波在水中传播时间的二倍。该信号即是 信号p u l s ei n 。各个信号之间的时序见图3 - 1 。 图3 2 为超声波信号的产生与处理电路图。 - i l 图3 - 2 超声波信号的产生和处理电路 第二节发射波和回波时间间隔的测量 一主控核心部件a t 8 9 c 5 2 简介 控制器以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心。1 ，它属于m s c 一5 1 单片机系列，其管脚分类及 功能如图3 3 所示： a t 8 9 c 5 2 v c c p o 0 ( a d 0 ) p 0 1 ( h m ) p 0 2 ( a 0 2 、 p 0 3 ( a d 3 ) p 0 4 ( a d 4 ) p 0 5 ( a 0 5 ) p 0 6 ( a d 6 ) p o 7 ( a i ) 7 ) v p p , r e a 删p r o g p s e n p 2 7 ( a m 5 ) p 2 6 ( a m 4 ) p 2 5 ( a d l 3 ) p 2 4 ( a d i 2 3 ( a d i1 ) i ) 2 2 ( a m 0 ) p 2 i ( a d g ) p 2 0 ( a i ) 8 1 图3 - 3a t 8 9 c 5 2 引脚图 控制线：p e s n ( 外部程序存储器控制) ；a l e ( 地址锁存控制) ：e a ( 片i t 片内程