采用超聲波測距和單片機實現(xiàn)雨量液位測量系統(tǒng)的設計

引言

降水量是衡量一個地區(qū)在某段時間內降水多少的數(shù)據(jù)。降水量就是指從天空降落到地面上的液態(tài)和固態(tài)（經(jīng)融化后）降水，沒有經(jīng)過蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度。它的單位是毫米。降水根據(jù)其不同的物理特征可分為液態(tài)降水和固態(tài)降水。液態(tài)降水有毛毛雨、雨、雷陣雨、凍雨、陣雨等，固態(tài)降水有雪、雹、霰等，還有液態(tài)固態(tài)混合型降水：如雨夾雪等。"降水量"是氣象術語，按氣象觀測規(guī)范規(guī)定，氣象站在有降水的情況下，每隔六小時觀測一次。6小時中降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為6小時降水量；24小時降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為24小時降水量；一個旬降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為旬降水量……一年中，降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為"年降水量"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

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。

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。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(chǎn)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(chǎn)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。慮到超聲波有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

上位機是指人可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是PC,屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉換成數(shù)字信號反饋給上位機。簡言之如此，實際情況千差萬別，但萬變不離其宗：上下位機都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。

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。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。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。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(chǎn)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。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。