一種虹吸式傳感器的降水量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)地區(qū)降水量自動(dòng)觀測(cè)，本文介紹了一種虹吸式傳感器的降水量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案采用虹吸式降水量傳感器和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了一種降水量采集系統(tǒng)。該降水量采集系統(tǒng)與維薩拉公司的翻斗式降水量觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行了精度比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該采集系統(tǒng)給出的月、日、時(shí)降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及小時(shí)降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可信有效。

　　0 引言

　　降水量是衡量一個(gè)地區(qū)降水多少的數(shù)據(jù)。它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(méi)有經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度，單位是毫米。

　　氣象學(xué)中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量，6 h中降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為6 h降水量；24 h 降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為24 h 降水量；一年中，降下來(lái)的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為“年降水量”。單位時(shí)間的降水量稱為降水強(qiáng)度，常用mm/h或mm/min為單位。單位時(shí)間的雨量稱為雨強(qiáng)。

　　降水量資料提供了關(guān)于水分資源的依據(jù)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)研究各部門，特別是農(nóng)業(yè)、水利部門不可缺少的資料。其觀測(cè)方法有人工觀測(cè)和儀器自動(dòng)記錄兩種。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了降水量的自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無(wú)人值守的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種氣象觀測(cè)站。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 方案設(shè)計(jì)的原理框圖

　　降水量采集系統(tǒng)由降水量傳感器、信號(hào)采集器和作為數(shù)據(jù)處理終端的計(jì)算機(jī)三部分組成。其組成與原理框圖如圖1所示。

　　1.2 降水量傳感器

　　常用的降水量傳感器有翻斗式和虹吸式兩種。本設(shè)計(jì)采用的是R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的50202 型虹吸式傳感器，該傳感器無(wú)活動(dòng)部件，敏感器件為電容傳感器。傳感器的測(cè)量腔體和采集漏斗外部均有保溫和加熱裝置，用于融冰或化雪。雨或雪通過(guò)采集漏斗進(jìn)入測(cè)量腔體。測(cè)量范圍為0~50 mm，測(cè)量精度為±1 mm，輸出信號(hào)為0~5.00 V DC，對(duì)應(yīng)0~50 mm的液位高度。

　　進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，降水通過(guò)傳感器的采集漏斗進(jìn)入測(cè)量腔體，使測(cè)量腔體內(nèi)的液位高度發(fā)生變化，液位高度的變化值即為觀測(cè)時(shí)段的降水量。當(dāng)傳感器的液位高度達(dá)到50 mm 時(shí)，傳感器自動(dòng)產(chǎn)生虹吸，虹吸時(shí)間為30 s左右，虹吸后，傳感器的液位高度回到零。

　　1.3 信號(hào)采集器

　　信號(hào)采集器由電源模塊和數(shù)據(jù)采集板組成。電源模塊為降水量傳感器和數(shù)據(jù)采集板提供工作電源，數(shù)據(jù)采集板采集測(cè)量降水量傳感器的0~5.00 V DC 輸出模擬量信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為液位高數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

　　數(shù)據(jù)采集板原理圖如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)采集板由中央處理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和RS 232 通信接口電路組成。中央處理器采用AVR系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，處理器本身集成了10 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程串行通信接口，這使得數(shù)據(jù)采集板的外圍電路更為簡(jiǎn)單。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中采用的AD623 是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3~+12 V）下提供滿電源幅度的輸出，AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到良好的用戶靈活性。在無(wú)外接電阻的條件下，AD623被設(shè)置為單位增益；外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1 000倍 .AD623放大器對(duì)降水量傳感器輸出的0~5.00 V DC信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，處理后接入中央處理器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取。RS 232通信接口電路采用了MAX232芯片，這是一款兼容RS 232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，由于電腦串口RS 232的電平是-10~+10 V，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平（0~+5 V），MAX232 就是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的。

　　CPU 通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道讀取到的液位高值再通過(guò)RS 232通信接口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

　　1.4 數(shù)據(jù)處理終端

　　數(shù)據(jù)處理終端為安裝有專用觀測(cè)軟件的PC機(jī)。專用觀測(cè)軟件用來(lái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和存儲(chǔ)各時(shí)段（分鐘、小時(shí)、天、月和年）降水量。作為數(shù)據(jù)處理終端的計(jì)算機(jī)通過(guò)串行接口與信號(hào)采集器連接，自動(dòng)接收來(lái)自信號(hào)采集器的液位高數(shù)據(jù)。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 信號(hào)采集器軟件

　　信號(hào)采集器軟件由定時(shí)器子程序、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序構(gòu)成。該軟件由單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編制，實(shí)現(xiàn)了模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道定時(shí)讀取，并通過(guò)可編程串行接口發(fā)送讀取結(jié)果的功能。信號(hào)采集器軟件流程圖如圖3所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)處理終端軟件

　　數(shù)據(jù)處理終端軟件由獲取本地時(shí)間子程序、數(shù)據(jù)接收及奇異值剔除子程序、降水量統(tǒng)計(jì)及存儲(chǔ)子程序和降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)及存儲(chǔ)子程序構(gòu)成。該軟件由Qt4 進(jìn)行編制，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)地區(qū)降水量統(tǒng)計(jì)和降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)的功能。軟件流程圖如圖4所示。

　　在進(jìn)行液位高數(shù)據(jù)奇異值剔除時(shí)，應(yīng)充分考慮傳感器虹吸、傳感器內(nèi)的積水揮發(fā)等各種不同情況。積水揮發(fā)和傳感器發(fā)生虹吸都會(huì)引起液位高度的減小，可將“傳感器的虹吸時(shí)間為30 s左右”作為依據(jù)進(jìn)行區(qū)別判斷，并進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行分鐘、小時(shí)、天降水量統(tǒng)計(jì)時(shí)，采用當(dāng)前液位高度與基準(zhǔn)液位高度進(jìn)行差值計(jì)算的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而不采用分鐘降水量的累計(jì)計(jì)算的方法。實(shí)際應(yīng)用證明該方法可有效消除因傳感器本身誤差和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化誤差帶來(lái)的累積誤差。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　基于以上本方案所設(shè)計(jì)的降水量采集系統(tǒng)已于2012年3月在廣東湛江進(jìn)行了為期一個(gè)月的降水量比對(duì)試驗(yàn)。該采集系統(tǒng)維薩拉公司生產(chǎn)的雨量采集器安裝在同一場(chǎng)地，將兩者的采集數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者數(shù)據(jù)基本吻合。從而證實(shí)了本方案所設(shè)計(jì)的降水量采集系統(tǒng)具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無(wú)人值守的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種氣象觀測(cè)站。