（检测技术与自动化装置专业论文）一种新型的雨量计量与分析装置的实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 雨量的测量在气象观测中是一个非常重要的项目，与人类生活、生产和建设 事业密切相关。气象仪器研究人员都在致力于改进传统的及研制新型的降水测量 装置，从而提高测量精度及可靠性。 本文介绍了一种新型雨量检测装置，可获得液滴形成后的体积、总流量以及 降雨p h 值等多参数信息。该课题提出了使用电容检测技术进行计量液滴流量的 方法，在理论推导平行极板电容变化量计算公式的基础上，确定了使用脉冲数定 时测频法测量微小电容变化的方法。本课题首先完成了装置计量部分的研制工 作，对该装置硬件设计和软件功能作了详尽分析，同时对系统误差作了一定的理 论分析。然后对水滴的流量进行了计量，其实验结果证明了水滴流量与累计脉冲 差值之间成线性关系，且装置的测量精度已经高于一般的雨量计和输液器，验证 了本测量方案的可行性和合理性。 同时，本课题还探索性地使用超声衰减法和声速法，首先测量降雨的浓度值， 再通过其浓度值与溶液p h 值之间的关系求得溶液p h 的方法。介绍了两种测试系 统的硬件设计和软件设计。在醋酸溶液的实验测试基础上，证明声速法是一种更 好的测量p h 值的方法。 该装置能够直接对每个下落液滴的体积进行测量，测量精度高、动态速度快、 而且体积小成本低，并且可同时测量降雨的p h 值，因而具有很强的研究和推广 价值。 关键词：雨量计，液滴检测，电容传感器，超声检测技术，p h 值 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e a s o n to f r a i n f a l li s e x t r e m e l yi m p o r t a n ti t e mmt h em e t e o r o l c 。g i c a lo b s e r v a t i o n i th a sc l o s e r e l a t i o n s h i pw i t hh u m a n i t yl i f e ，p r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c h e r so f m e t e o r o l o g i c a li n s t r u m e n t sp u tt h e i rm i n d st ot h ei m p r o v e m e n to ft h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa n d d e v e l o p m e n to f n e w - s t y l ei n s t n a n e n t st o 目l h i l n c et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e so n ek i n do f n e w - s t y l er a i n f a l ld e t e c t o r w ec a l lo b t a i nm u l t i - p a r a m e t e r s i n f o r m a t i o ns u c h 鹉d r i p p i n gv o l v j n e , t o t a lf l o wa n dp hv a l u eo fr a i n f a l lf r o mi t t h i st h e s i s p r o p o s e st h ew a yo f u s i n gc a p a c i t ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yt om e a s u r et h ed r i p p i n gf l o w o nt h e b a s eo fd e r i v a t i o no fh o wt oc a l c u l a t et h e c h a n g e dv a l u eo fp a r a l l e lp l a t ec a p a c i t a n c e ，w e d e t e r m i n et ou s et h em e t h o do fm e a s u r i n gf r e q u e n c yt o g e tt h ec h a n g e dv a l u eo ft h e s u b t l e c a p a c i t y t h ed e s i g no f o m b r o m e t e ri sc o m p l e t e d ，a n dt h ef u n c t i o n so f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g na n ds y s t e me r r o ra r ea n a l y z e d t h ef l o wo f m ed r i p p i n gi sm e a s u r e d t h er e s u l t sp r o v et h a t t h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i p p i n gf l o wa n dt h et o t a ld i f f e r e n c eo ft h ep u l s e n u m b e r s - t h em e a s u r i n ga c c u r a c yi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo m b r o m e t e r s ，i ts h o w sf e a s i b i l i t y a n dr a t i o n a l i t yo f t h es l r a t e g y a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i su f i f i z e su l t r a s o n i cd e c a ym e t h o dt om e a s u r et h ep hv a l u eo f t h e r a i n f a l l ，a n dg i v e sd e t a i la n a l y s i so nt h es o f t w a r ea n dh d w a r ed e s i g no f t h ep hv a l u em e a s u r i n g s y s t e m o nt h eb a s eo ft h ea c e t u n lr e s u l t s ，t h et h e s i sp r o p o s e su s i n gu l u a s o n i cs o u n dv e l o c i t y m e t h o dt om e a s u r et h ep hv a l u e ，a n dd e s i g n st h eh a l d w a r ot e s t i n gc i r c u i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a tt h eu l t r a s o n i cs o u n dv e o c i t ym e t h o di sab e r e rw a yt om e a s u r et h ep hv a l u e t h i si n s t r u m e n tc m d i r e c t l ym e a s u r et h ev o l u m eo f e v e r yd r i p p i n g a n dh a sh i g h e ra c c u r a c y , f a s t e rd y n a m i cr a t e ，l o w e rc o s ta n dc o m p a c tc o n s t r u c t ，a n di tc a l lm e a s u r et h ep hv a l u eo ft h e r a i n f a l l ，s oi th a sg r e a tv a l u eo f b e i n gr e s e a r c h e da n dp o p u l a r i z e d k e yw o r d s ：o m b r o m e t e r , d r i p p i n gm e a s u r e m e n t ，c a p a c i t i v es e n s o r gu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t ，p h v a l u e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：型3 ， 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 雨量的测量在气象观测中是一个非常重要的项目，与人类生活、生产和建设 事业密切相关。气象仪器研究人员都在致力于改进传统的或研制新型的降水测量 装置，从而提高测量精度及可靠性。 本文研究了一种新型液滴雨量检测装置1 1 1 ，可检测液滴形成后的体积、流量 以及降雨p h 值等多参数信息。 1 2 雨量计的国内外研究概况 常见的雨量计基本有以下几种。一是采用量斗计量方式的翻斗式雨量计，原 理是用量斗的机械翻转次数来计量雨量，因为量斗较大才能保证翻转的长期可靠 性，因此响应速度不快，精度不高，体积较大。二是虹吸式、编码式和超声式等 采用液位计量方式的雨量计，原理是依靠量筒累积雨水的液位来计量雨量，由于 量简必须配备自动放水机构和液位计量设备，因此存在可靠性或性能价格比不高 的问题。三是光电式液滴雨量计，如光电水滴式分钟雨强计【2 】，虽然简单，但它 只计量液滴数目而不计量液滴体积，因此精度较低。新专利双腔型光电感应式自 动电子雨雪量计【3 】，则是结合光电水位传感器通过三个电磁阀控制大小标准计量 腔进行量，其原理还是翻斗式雨量计。国外高精度的雨量计有光学雨量计，激光 雨量计，般价格昂贵。 1 2 1 翻斗式雨量计 翻斗式雨量计是一个翻斗式机械双稳态称重机构。在其工作过程中，翻斗部 件左、右两个斗室轮流处于上方的漏斗出水口处，承接雨水，进行称重、计量。 实际上，在两斗室称重、计量的转换间隔时间内，雨水仍不停地注入上斗室， 这部分多计量的水重量使翻斗式雨量计存在着不可避免的误差i “，称为器差。此 误差与雨量计量程有关，是仪器本身工作原理决定的固有器差，是系统性的，具 有一定的规律。此外，再加上仪器零部件加工精度、装配质量、检定设备工作稳 上海大学硕士学位论文 定性等因素引起的计量误差，翻斗式雨量计总误差可达3 5 。另外，仪器在 野外工作时，由于环境条件的影响，其总的动态计量误差可能达到或超过4 。 通过减少翻斗部件安装角、缩短两斗室转换时间、增大承雨口面积都可以减 少翻斗动态计量相对误差；也可以安装附加装置来消减器差，如虹吸消减器、双 层翻斗、阀门消减器，此类装置使在两个斗室进行计量转换的时间间隔内，进入 斗室的雨水增量不在以雨强为转移，而为一常数，但增加了仪器结构的复杂性， 给生产、使用、维修等方面带来不便。 1 2 2 虹吸式雨量计 虹吸式雨量计的工作原理是：首先具有一般雨量计所具有的标准承雨器以便 按标准收集雨水，当承水器将收集到的降水量，通过漏斗导管进入浮子式，使浮 子室内的水量不断增加，水面逐渐升高，浮子也随着上升时，固定在浮子杆上的 笔杆组的笔尖在自记纸上画出上升的曲线来。若单位时间内流入浮子式内的水量 越多，那么浮子上升的速度越快，笔尖在记录纸上的记录曲线越陡，表示的降水 强度越大。当水位高于虹吸管顶端时，发生虹吸作用，浮子式内的水就从虹吸管 流入储水瓶内。这一过程，为一次虹吸过程。虹吸一次的水量为1 0 m m ，笔尖从 自记纸刻度线顶端降落到低端。虹吸式雨量计的关键部分是虹吸管部分。显然在 虹吸过程中，将无法记录正在降落的雨水，因此这不可避免的带来结构性误差。 和翻斗式雨量计相同，虹吸式雨量计根据自动化程度不同也分为非记录型和记录 型雨量计，这两种结构的差别根本在于整个雨量采集系统是否集成数据存储和传 输功能。 虹吸雨量计虽然可以实时记录雨势强弱变化，但在其虹吸过程中受诸多因素 的影响，测量准确度低。虹吸式自记雨量迫降器减少了虹吸误差，却增加了仪器 的复杂性，给生产使用维修等方面带来不便1 5 。1 。 1 2 3 光学式雨量计 国外的光学雨量计7 1 ( o r g ) 是利用降雨液滴所产生的光闪烁原理制成的。 在光源与光接收器之间有一个“采样体积”，当光波峰面在采样体积内遇到降落 2 上海大学硕士学位论文 雨滴时，产生的阴影被投射到接收板上。阴影的移动，会引起接收板上光强度的 变化( 光闪烁) 。光闪烁是雨滴沿着光程随机下落产生的，降雨率可以从观测、 分析闪烁出现率而得到。 它具有快速判断降水是否发生能力，即使极微小的降水也能在极短的时间内 作出反应。测量降水不只局限于降雨，也可测降雪和雨雪混合物，可有效区分雨、 雪、雹等几种降水类型，集多种功能为一体。测量动态范围宽，能准确计量从 0 0 1 或更低到3 0 0 0 n m f f h r 的不同强度的降水率。没有外界因素对降水物施加影 响，降水处于“纯自然”状态，不存在蒸发或溅洒误差。测量时间分辨率较高，仪 器1 0 秒钟内即能作出反应。在任何条件下都能可靠工作，不受风速和冻结速度 的影响；无机械磨损，不需定期检修。它使用交流电供电，功耗较大，功率值为 2 0 5 0 w 。仪器技术复杂，对个别元器件要求很高，成本较高。通常设在高速公 路、铁路沿线或机场中，以防山岩塌方，或为飞机安全降落识别天气类型。 美国科学技术公司( s c t i ) 已成批生产这种雨量计，并应用在海上船只和浮 标上。 1 3 新型雨量检测装置 新型雨量检测装置一方面可以实现精确的雨量计量，另一方面应能对降雨的 p h 值等物理化学特性做一定的分析。 1 3 1 降雨量的计量 对于雨量的计量，新的装置从测量液滴瞬时体积计量技术入手，而不再采用 传统的液位测量的方式。 液滴检测分析技术包括液滴计量( 例如：重量、体积的计量) 和液滴分析( 例 如：表面张力的分析) 两大部分。液滴计量是在被测液体形成液滴以及做自由落 体的下落过程中，采用各种手段对液滴实施监测，观察、测量液滴的外在现象。 用高速摄影机拍摄的液滴滴落过程示意图l 。1 i 引。液滴总是先发生变形，形 成“细颈”，再在“细颈”处断开。因此液滴的流量不是连续的流量，而是间断 的流量，测量连续液体流量的方法难以用来检测液滴的流量。由表面化学的相关 知识可知，不同温度、压力条件下，同一性质的液体其断点位置以及大小是不同 上海大学硕士学位论文 a 0 嚣苫 。 图1 - 1落滴过程示意图 在比较了图像处理技术，涡流检测技术和电容检测技术的可行性后，我们决 定选用本课题选用电容法计量液滴流量。具体方法将在下章中做详尽叙述。 1 3 2 降雨p h 值的测量 1 3 2 1 酸雨问题及p h 值的检测 酸雨污染是当前受到普遍关注的环境问题。酸雨的形成主要是由于人类在燃 烧煤、石油、天然气等矿物燃料的过程中，不断向大气中排放二氧化硫和氧化氮 等酸性气体所致。我国是一个以煤为主要能源的国家，全国二氧化硫排放量的 9 0 来自煤的燃烧，所以我国的酸雨主要是硫酸性酸雨，目前我国国土总面积的 4 0 受到酸雨的危害【9 】。 人们一般把p h 值小于5 6 的雨水称为酸雨。p h 的概念是1 9 0 9 年丹麦科学 家索伦森提出的。测量溶液的p h 值实际上就是测量溶液的氢离子活度，所以p h 值是表征各种溶液酸碱度的一个重要物理化学参数。在工业过程检测控制中占有 举足轻重的地位。 八十多年来，对p h 值的测量经过了几次重大的变革。其中以电位测量法、 p h 计和玻璃电极的发明，影响最为深远1 1 0 l ；2 0 世纪7 0 年代以来，产生的离子 选择电极及其应用技术的影响，以及微型计算机技术、新型电子元器件在p h 计 分析仪器设计制造中的广泛应用，使p h 品种迅速增加，技术水平进一步提高。 4 上海大学硕士学位论文 进入9 0 年代，用于工业过程进行p h 测量的氢离子敏场效应晶体管( i s f e t ) 电极 的诞生，使固体p h 电极终于走向实用化应用阶段。近期更出现了以e i s 结构为 基础，利用场效应与光扫描方式相结合，实现对待测溶液二维p h 值的高密度取 样，并以二维图像表示溶液p h 值的分布的p h 计1 1 】。 1 3 2 2 溶液浓度与p p i 之间的关系 对于酸雨问题，国内外学者已经进行了大量有益的探索。王文兴等从人为 和自然因素出发，对影响我国降水的酸性因素进行了研究，指出降水的酸性取决 于所含离子的相对浓度，而不决定于酸性离子的绝对含量口7 1 。他在另一篇文章 里研究了中国降水酸度和离子浓度的时空分布【2 扪。刘煜等本文从酸碱平衡理论 出发，在电中性方程基础上，建立了涉及l o 种离子的离子浓度与p h 值的确定性 相关关系，给出了一种新的相对浓度的表达形式，证明了降水的p h 值取决于碱 性离子和酸性离子的相对浓度，是多种离子综合作用的结果【2 们。为了对酸雨危 害进行有效地控制，研究降水中某些离子浓度与降水p h 值关系有着十分重要的 意义。 因此，我们在测量降雨离子相对浓度的角度，根据已经建立的投影寻踪预测 模型【3 0 】，通过测量降雨中各离子的相对浓度，如【c a 2 + 】、 n 地十】、 s 0 4 2 - 、 n 0 3 1 的离子浓度，间接得到降雨p h 值。 1 333 超声法测量溶液浓度的可行性 超声波是一种机械波，频率高于2 0 k h z ，在工业应用中常采用的频率范围是 2 0 k h z - - 1 0 m h z 。超声学也是一门从生产实际应用中发展起来的学科，已有几十 年的历史，涉及的应用范围非常广泛。归纳起来，超声应用无非是两大类别：第 一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术，而其它超声理论 和实验工作，实际上都是为这两类应用服务的【2 ”。 近年来，超声波的应用领域越来越广泛。而超声测量技术作为超声应用的一 个重要分支，与超声加工处理技术相比，则着重于一些描述媒质超声传播特性的 物理量( 如声速、声衰减、声阻抗等) 的测定。与其它的物性分析传感器技术相 比，超声测量技术具有以下特点： 1 非接触式、无阻流部件测量：超声波具有准光学的特性，如反射、折射 等，具有很强的穿透性。所以利用超声波的这些特性，尤其在测量工业 上海大学硕士学位论文 流体过程中，传感器可以不和被测量对象直接接触。无阻流部件，因而 也就不影响流体的流动状态，使测量结果更为客观、真实。 2 对过程及被测对象无有害影响：超声测量技术中运用的是一种低功率的 超声波，因而也不会对被测对象的特性造成破坏。 3 快速的响应能力：超声波在媒质中的传播速度快，所以其作为工业测量 手段时具有响应能力快的特点。 4 高精度和可重复性：随着超声相关技术的发展，超声仪器的测量精度也 越来越高。 5 指向性好、功耗低、稳定性好、能实现在线测量。 超声测量技术的这些优点使其在工业测量领域越来越受到重视，获得了日益 广泛的应用。我们实验室在利用超声测量纸浆浓度方面，也有了一定的工作积累。 我们将在此基础上，结合电容式液滴雨量计量的机理，探索利用超声测量液滴的 p h 值，进而分析其物化特性。 上海大学硕士学位论文 第二章液滴计量技术研究 2 1 液滴测量与分析装置的结构原理 由电容传感器组成的液滴计量与分析装置结构如图2 1 所示 图2 - 1 电容式液滴计量与分析装置 从实现功能上本装置分为两部分，一部分是液滴的计量，液体经盛液器节流 管后形成下落液滴，该液滴垂直下落经过上下放置的位置传感器和电容传感器， 使电容传感器的电容量发生变化。检测有液滴和无液滴两种情况下电容传感器电 容量的相对变化值，并转换为信号处理单元可接受的信号，该信号从理论和试验 上可以证明与液滴的体积存在对应关系，从而实现对每个液滴体积的计量。 位置传感器安装在电容传感器上下作为检测液滴进入电容传感器的时间起 止点。 该装置的另一功能，是利用超声测量芯片测量接收到的超声信号，用温度传 感器测量环境温度，经c p u 分析处理后，得到溶液浓度与所测超声信号和温度 上海大学硕士学位论文 信号之间的关系。 我们将首先分析其液滴的计量原理。 2 2 液滴体积计量中电容传感器的建模 在前人关于电容传感器检测的基础上，我们知道圆形极板电容虽然灵敏度更 高，但实现和建模复杂，而平板电容则容易建模和进行实验。电容式传感器的基 本工作原理可用图2 - 2 所示的平板电容器来说明。 a 图2 - 2 平板电容器 当忽略电容器的边缘效应时，平板电容器的电容量为： c ：丝：6 r e o a ad ( 2 - 1 ) 式中4 一电容器的极板面积； d 一极板间的距离； 6 0 一真空介电常数，占。= 8 8 5 1 0 。1 2 f i m ； 0 一极板间介质的相对介电常数；水的相对介电常数为8 0 。 由式( 2 1 ) 可知，当d 、a 和占，中的某一项或某几项有变化时，就改变了电 容器的电容量c ，从而使输出电压或电流发生变化。d 和a 的变化可以反映线位 移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化；s ，的变化则可反映液位 的高度，材料的湿度等变化。 当有液滴经过平行板电容传感器时，忽略边界效应，假设水滴的位置变化对 电容没有影响，可将水滴等效为厚度为d 的长方体。这样就相当于给极板的厚度 增加了d ，同时将极板间的距离减小了d 。如图2 3 所示，则变化后的极板电容 为： 上海大学硕士学位论文 c l = 罢c o = d o - d ( 2 2 ) 其中，c o 为有液滴经过时，等效后求出的电容传感器的电容值； 则有 g 为没有液滴经过时，电容传感器的电容值。 图2 - 3 电容等效图 鱼：- 蔓l c 】d o d 其中：c 0 为有液滴经过时，等效后求出的电容传感器的电容值； c l 为没有液滴经过时，电容传感器的电容值。 由公式推导可知： c o 一c i ：旦：旦塑：旦 c qd od q b h k 因此液滴的体积公式： y ：足c o 了- 一c i ，k ：a o b h c 0 ( 2 - 3 ) 即液滴体积与电容的相对变化成正比。只要测量液滴的电容变化值就可求得 液滴的体积。 2 3 测量微小电容变化量方法的选择 平板电容的输出信号是一个微弱的电容信号( p f 级) ，需选择合理的测量电 路来辨识这一微弱信号。测量微小电容变化量的检测方法有许多种，如谐振法、 锁相技术、充放电法、开关电容网络等等，这些方法都适合测量p f 级电容【1 引。 本课题选用r c 振荡电路进行微小电容变化量的测量。其输出信号是随检测 电容变化而变化的频率信号。 9 上海大学硕士学位论文 频率测量方法大致可分为如下几类 1 4 直读法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率 信号相比较，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电 容器充放电的次数，再用电磁式仪表测量充放电电流的大小，从而测出被测信号 的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子计数器 显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。 电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速， 便于实现测量过程自动化等一系列优点，而电子计数式测量频率有以下几种方 法。 ( 1 ) 脉冲数定时测频法( m 法) ：此法是记录在确定时间正内待测信号的脉 冲个数m ，则待测频率为：e = t 正。 显然，时间瓦为准确值，测量的精度主要取决于计数m 。的误差。其优点在 于：测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率 较低时，误差较大。 ( 2 ) 脉冲周期测频法( t 法) ：此法是在待测信号的一个周期t 内，记录标准 频率信号变化次数。这种方法测出的频率是：c = m 。l 。 此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。 ( 3 ) 脉冲数倍频测频法( a m 法) ：此法是为克服m 法在低频测量时精度不 高的缺陷发展起来的。通过a 倍频，把待测信号频率放大a 倍，以提高测量精 度。其待测频率为：只= m ，a r o 1 0 愀一一 一 赋r【i卜j卜卜【彭努榷举嚣 读 较 窖子 一瞳 。眦 一悼 上海大学硕士学位论文 其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比m 法高a 倍，但 控制电路较复杂。 ( 4 ) 脉冲数分频测频法( a t 法) ：此法是为了提高t 法高频测量时的精度形 成的。由于t 法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过a 分频使待 测信号的周期扩大a 倍，所测频率为：c = a m 。l 。 其特点是高频测量精度比t 法高a 倍，但控制电路也较复杂。 ( 5 ) 脉冲平均周期测频法( m t 法) ：此法是在闸门时间内，同时用两个 计数器分别记录待测信号的脉冲数m ，和标准信号的脉冲数m 。若标准信号的 频率为c ，则待测信号频率为：c = f o m ，m 。 m i t 法在测高频时精度较高，但在测低频时精度较低。 考虑r c 电路输出信号的频率及电路的实现，本课题选用脉冲数定时测频法 计量输出信号的频率。 上海大学硕士学位论文 第三章液滴计量系统硬件和软件的设计 3 1 系统硬件的设计 本系统硬件采用r c 振荡电路，产生脉冲信号；通过可编程定时器，计数器计 量脉冲信号；定时采样数据，由上位机进行数据处理。如图3 - 1 所示： up s d 3 2 5 1 l “ 振荡 r x d f 叫电路 t x d r x d l 一 l 扩展电路 t x d l 3 1 1 计量信号电路的构成 图3 1系统方框图 由于m c s 5 1 系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，其应 用相当广泛。g p s d 3 2 0 0 系列单片机是s t ( 意法半导体) 公司推出的一款新型单 片机。它以增强型m c s 5 1 内核单片机8 0 3 2 为基础，集成了p s d ( p r o g r a m m a b l e s y s t e md e v i c e ，可编程外围器件) 模块，该单片机系列含有大容量的f l a s h 和 r a m 存储器、1 2 c 和u s b 接口电路、可编程逻辑器件( p l d ) ，是一个典型的 具有s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 特征的单片机 1 5 】。其内部功能机构如图3 - 2 所示： 我们选用的“p s d 3 2 5 1 单片机，内部有时钟电路，只需外接石英晶体振荡器， 最高晶振频率可达4 0 m h z ：外部复位引脚( r e s e t ) 和内部复位电路及看门狗 监视定时器，可为c p u 提供上电复位、掉电复位、手动复位3 种复位方式。 l a p s d 3 2 5 1 单片机内部包含了2 5 6 字节的内部r a m ，2 k b 3 2 k b 的s r a m ( 可 以用m o v x 寻址) ，内核中1 2 8 字节的特殊功能寄存器( s f r ) 和p s d 模块中 的2 5 6 字节的s f r ，主次2 片大容量的f l a s h 存储器，分别都可以配置成数据 上海大学硕士学位论文 或程序存储器，并且可以分页，以满足6 4 k b 的寻址空间，可以承担系统扩充而 加大程序量的需要。 图3 - 2pp s d 3 2 0 0 系列单片机内部功能机构图 i _ l p s d 3 2 5 1 单片机的中断功能较强，可以满足控制应用的需要，共有1 0 个中 断源，其中的两个外部中断分别接第一位置传感器和第二位置传感器；具有3 个定时，计数器，分别可以工作在4 种工作模式，三个定时器中，t 1 作为比特率 发生器，t 2 作为定时器中断，而t o 用作频率计数器的高1 6 位计数，低1 6 位计 数器n h g p s d 3 2 5 1 的c p l d 功能实现，利用其1 6 个输出宏单元( o m c ) 构成， 其进位输出送内部t o 计数器，共同构成3 2 位频率计数器。可用p s d s o f te x p r e s s 和k e i i 软件公司的u v i s i o n 2 集成开发环境来进行具体设计。 i _ t p s d 3 2 5 1 单片机提供两个功能独立的全双工的异步串行通信口，可以实现 单片机与其他设备( 如p c 机和其他单片机) 的串行数据传输，通过m a x 2 3 2 与p c 进行通信，并配有r s 4 8 5 以便系统以后的扩展。 详细电路图见附录一。 3 1 2 函数发生器构成的振荡电路 m a x 0 3 8 是美国m a x i m 公司生产的一通用波形发生芯片，它比起以前比较 常用的函数发生器如8 0 3 8 系列，从频率范围，频率精确度，对芯片及波形的控 上海大学硕士学位论文 制性能，用户使用的方便性等方面都有了很大的提高，因此可广泛应用于波形的 产生，压控振荡器，脉宽调制器，频率合成器，及f s k 发生器等【1 6 1 。 m a x 0 3 8 内部工作原理m a x 0 3 8 内部框图如图3 3 所示。该芯片工作电源采 用- - 5 v ，功耗为4 0 0 m w 。内部提供2 5 v 基准电压，通过外接可调电阻i 己3 ，r 1 向振荡电流发生器的i i n 端和f a d j 端提供频率粗调电流和频率细调电压；通过 r 2 向d a d j 端提供脉冲占空比调节电压。这三种参数经振荡电流发生器处理后， 向振荡器提供充电电流，该电流对外接电容c f 充电，形成振荡，产生三路三角波 信号。其中一路信号送正弦波形成电路，产生正弦波；另外两路信号送入比较器， 产生方波。此两路波形连同第一路的三角波同时送入混合器，由a 0 ，a 1 控制端 选择其中的一种波形输出。 图3 - 3b l o c kd i a g r a ma n db a s i co p e r a t i n gc i r c u i t 选用m a x 0 3 8 是基于以下原因： a 最高输出频率可达到4 0 m h z ； b 可由控制电平选择直接输出方波 1 4 上海大学硕士学位论文 c c ，与本课题所设计的电容传感器的值同数量级( p f ) ： d 频率温度系数为2 0 0 p p m c ，本系统温度变化范围为5 0 c ， 1 。 f a d j 经1 2 t q 电阻接地，使其无效，输出频率可由下式给出： r = 毒= 面2 x 石2 5 其中，为e x 0 3 8 的频率控制电流输入端； c ，为i n x 0 3 8 的外接电容，即电容传感器的电容值。 r 。为控制输入电流的外接电阻。 因为频率f = ，n 为所记脉冲个数。 则结合图2 - 3 有： 旦：鱼：0 _ ：堕 rc 1d o dn o 其中：。，f 。为极板间有液滴时记录的脉冲数，频率； 1 ，f 为极板间无液滴时记录的脉冲数，频率： 因此，由公式( 2 4 ) ，图2 3 ，可知液滴的体积公式： 矿：n 1 ，- ，n o k ，x ：或b h 1 ” 其中，k 为通过实验得出的系数。 3 2 系统软件的设计 频率变化为 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 程序的运行过程为：液滴垂直下落，经过第一个位置传感器时，光电开关1 输出脉冲信号，使i n t 0 变低，向微处理器申请中断，在i n t 0 中断服务程序中， 微处理器启动他计时器并控制3 2 位计数器开始对频率记数；当液滴下落经过第 二个位置传感器时，该位置传感器输出脉冲信号，使i n t l 变低，向微处理器申 请中断，在i n t l 中断服务程序中，微处理器停止t 2 计时，并得到计时时间值t ， 同时微处理器控制频率脉冲记数器停止对频率记数，并得到对应的记数值n 1 ； 上海大学硕士学位论文 微处理器同时根据时间值t 启动定时中断，再控制频率脉冲记数器又开始对频率 记数，经过时间值t ，微处理器控制频率脉冲记数器停止对频率记数，并得到对 应记数值n o ；微处理器根据液滴经过电容传感器的记数值n 1 和没经过电容传感 器的记数值n o 的相对差值n ，计算出液滴体积v 。 主程序 看门狗初始化 t 1 、串口初始化 1 l i1 2 ，t o ，计数l f 器初始化 f ji 1 l 开外部中断0 1 l i 等待中断l 外部中断0 服务程序 外部中断1 服务程序 i 保护现场ii 保护现场i 1 l o 1 关外部中断o i 关外部中断1l i l l 启动t 2 计时、 禁止髓计时、 计精器计舯 l 计数器计数1 l j r t h 2 , t l 2 送3 0 h l 开外部中断l 3 i h 单元保存 1 l 计数器计数值送入 i 恢复现场i 3 2 3 5 h 单元保存 j 同 t h 2 ，t l 2 取补后送 t h 2 t l 2 作为初值 允许亿计时，计数器计数 0 l 开亿中断j 0 i 恢复现场i 图3 _ 4主程序及各子程序流程图 t 2 中断 服务程序 l 保护现场1 0 禁止t 2 计时、 计数器计数 计数器计数值送入 3 6 3 9 h 单元保存 启动串行口发送 上 他，计数器初始化 占 开外部中断0 0 i 恢复现场l 上位机为带串口的普通p c 机，使用串口调试器能很方便的把串口接收到的 数据，如降雨时间及与该时间相对的降雨量等数据显示在屏幕上。 1 6 上海大学硕士学位论文 第四章液滴计量实验与分析 我们所设计的液滴流量计量装置为我们进一步分析累计脉冲差值与液滴流 量之间的关系提供了有利条件，本章将主要讨论通过对水滴流量的计量来建立累 计脉冲差值与水滴流量之间的关系。 4 1 实验设计与方法 4 1 1 实验装置及材料 液滴流量计量装置如图4 1 所示。 图4 - 1液滴流量计量装置 实验前需对测量装置进行适当的调整。将光电开关及电容传感器调整至同一 中心线上，使水滴无接触的通过测量装置。 4 1 2 滴头的结构设计 滴头的作用就是用来形成液滴，它的形状结构和几何尺寸，对液滴的体积、 轮廓形状以及液滴的生长过程都有着十分密切的关系。因此，在液滴分析技术尚 未进入实用阶段，液滴分析仪器尚未建立统一标准的情况下，所有的实验结果都 1 7 上海大学硕士学位论文 是针对特定的系统而言的。图4 - 2 为本装置中采用的滴头结构。 图4 2 滴头结构 考虑到被测液体与滴头材料的湿润存在一定的接触角，所谓接触角就是在 固、液、气三相的交界处，由固、液界面经过液体的内部至液、气界面的夹角， 从直观经验归纳得知，将滴头底端面设计成倒锥形，相当于使固体表面倾斜，提 高了被测液体对滴头底端固体表面的湿润性，有利于形成饱满、形状均匀的液滴。 4 1 2 实验设计 由公式( 3 3 ) 可知液滴的体积公式： 矿：尘i ；盟置，k ：出b h ( 4 - 1 ) ” 则液滴平均体积为： 矿= 进e 壑n i 一詈 ( 4 z ) 其中，k 为通过实验得出的系数。则首先通过实验确定k 。 其中：o 一段时间内一定流量的液滴通过时记录的总脉冲数； l 一段时间内没有液滴通过时记录的总脉冲数； n 为总液滴数； q 为这段时间内，液滴总流量。 为了研究不同流量的水滴对相对脉冲的关系，分别量取不同体积的纯水，分 别将其倒入漏斗，计量每组纯水的液滴数、每一水滴通过两光电开关的时间、每 上海大学硕士学位论文 滴水滴引起的累计脉冲相对差值以及每次实验耗费的总时间。 根据累计脉冲相对差值和总流量拟合出它们的关系曲线，标定k 值，并进一 步推出单个液滴的体积公式。进而对实验结果进行分析。 实验数据如下： 我们使用l o o m l 的量杯对纯水进行计量。进行了八组实验。 体积( m 1 )s u m ( n o )s u m ( n 1 )滴数 s u m ( n 1 ) - s u m ( n o ) 1 02 2 1 1 6 4 5 4 22 2 1 3 9 7 3 5 29 72 3 2 8 1 0 2 0 4 3 0 1 6 4 8 8 34 3 0 6 2 3 5 3 61 8 84 5 8 6 5 3 3 06 6 6 8 9 9 6 4 76 6 7 6 0 3 2 4 02 9 0 7 0 3 5 9 3 4 0 8 7 6 6 9 0 2 4 18 7 7 6 2 6 1 1 03 8 29 3 5 8 6 9 5 01 1 2 6 e + 0 91 1 2 7 e + 0 94 8 9 1 1 8 8 6 6 0 6 01 3 4 2 e + 0 9 1 3 4 4 e + 0 95 8 31 4 3 0 1 9 9 7 01 5 6 9 e + 0 91 5 7 1 e m 96 8 1 1 6 6 3 9 6 7 8 01 8 0 6 e + 0 9 1 8 0 8 e + 0 97 8 41 9 1 9 7 2 1 4 2 实验结果与分析 4 2 1 流量计算 根据公式( 4 2 ) ，可知：q = y _ ：v , - 瓦一n o 足n ，则可通过测量一定己知流 量的l ，o 及其差值l 一0 ，可以标定参数k 的值。具体标定过程 如下： 将l o m l - - 8 0 m l 纯水实验中测得的“、l 、通过的时间t 等数据进行计算， 得出i 一o 。将每一水滴的脉冲累计相加，以相应的累计脉冲相对差值 为横轴，水滴流量为纵轴，绘出如下图4 3 所示的9 个点： 上海大学硕士学位论文 图4 - 3 液滴流量与累计脉冲的关系 用m a t l a b 语言，利用最小二乘法拟合图4 3 中的九个点( 实线所示) ，得 到总流量与相对脉冲的关系式： q = ，s z 4 。s 紫n + 。4 ，- ，4 z c 。s ， 所以单个液滴体积： 矿：n 1 ，- ，n o 9 6 2 4 3 8 ( 4 - 4 ) 液滴流量与累计脉冲数基本上成线性关系。 以第一组总体积为1 0 m l 的纯水为例，试验共进行5 分钟，液滴数量为9 6 滴。 通过公式( 4 3 ) ( 4 4 ) 我们可以求出： q 1 2 9 7 1 5 6 7 1 m l v = 0 1 0 1 2 0 4 9 0 3 m l 这里存在一个0 2 8 5 m l 左右的系统误差，主要包含两个方面：一是量杯本身 存在的误差；二是盛液容器与滴头含有液体残余物所造成的误差。 4 2 2 液滴实时分析 液滴的脉冲数变化、脉冲数差值、每个液滴的体积、每个液滴通过光电传感 器的时间的数据图，如图4 - 4 所示： 上海大学硕士学位论文 图4 - 4 a 脉冲数变化 图4 - 4 b 脉冲数差值 图4 - 4c 每一液滴体积 2 1 上海大学硕士学位论文 图4 4d 液滴通过光电传感器的时间 从实验数据可见，每一液滴经过电容传感器引起的脉冲数是不同的，实验中 发现装置本身在没有液滴经过时也存在频率漂移。但我们所取液滴的脉冲数差值 变化基本不变，因此这种在线测量方法，可以消除装置的本底漂移和零点漂移影 响。同是我们可以看出所计算出的液滴体积，也是在振荡变化，具体液滴的大小， 有无卫星液滴取决于流体性质，表面力，毛细力，重力，阻力，以及粘性力。其 具体机理需用流体动力学的纳维埃一斯托克斯运动方程解释。目前的孔径，流速， 雷诺数等实验条件，可以保证实现无卫星液滴。 液滴的断裂是物化特性的综合反映，所测每个水滴通过两光电开关的时间是 不相同的，如图( 4 4d ) 所示，即每个水滴的断点位置是不同的。 4 2 3 断点位置的影响 液滴通过两光电开关的时间为t ，若液滴在断裂后以自由落体速度下落，可 得出液滴的断点位置a 由图( 2 一1 ) 可知： 卜( 4 5 ) k = 丢船。+ ，) 2 则液滴的断点位置为： l 。：垡! 二! ：) ：一些! 二! ! ! + 墨生 ( 4 6 ) o 一j j 五丁一i + 丁 、。”7 上海大学硕士学位论文 其中，厶一厶为两光电开关之间的距离； 丁为图( 4 4 d ) 所示的液滴通过两个光电传感器所用的时间。 通过两个已知量，带入公式即可求出液滴断点的位置。 测量开始时，由于水刚倒入漏斗，液面较高，压强较大，在毛细管末端形成 的水滴比较饱满，断点位置与毛细管末端的距离较大，到达上光电开关的速度小， 因此通过两光电开关的时间长，频率变化引起的脉冲量大：随着水滴的不断形成、 下落，液面慢慢降低，压强慢慢减小，断点位置与毛细管末端的距离渐渐缩小， 到达上光电开关的速度增大，通过两光电开关的时间减小，引起的脉冲量小。断 点的振荡特性，与其动力学特性有关。 采用两个光电开关，并在数据处理中将水滴通过两光电开关与没有液滴通过 的时间换算成同一基准，也巧妙消除了断点位置的影响。也为后续的液滴分析提 供了一个参考物理量。 4 2 4 液滴表面张力的计算 液滴检测分析技术是药学家t