一種虹吸式傳感器的降水量采集系統(tǒng)的設計方案

0 引言

降水量是衡量一個地區(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，沒有經(jīng)過蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度，單位是毫米。

氣象學中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量，6 h中降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為6 h降水量;24 h 降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為24 h 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”.單位時間的降水量稱為降水強度，常用mm/h或mm/min為單位。單位時間的雨量稱為雨強。

降水量資料提供了關于水分資源的依據(jù)，是國民經(jīng)濟建設、科學研究各部門，特別是農(nóng)業(yè)、水利部門不可缺少的資料。其觀測方法有人工觀測和儀器自動記錄兩種。本設計實現(xiàn)了降水量的自動采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守的特點，可應用于各種氣象觀測站。

1 硬件設計

1.1 方案設計的原理框圖

降水量采集系統(tǒng)由降水量傳感器、信號采集器和作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機三部分組成。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。本設計采用的是R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的50202型虹吸式傳感器，該傳感器無活動部件，敏感器件為電容傳感器。傳感器的測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。雨或雪通過采集漏斗進入測量腔體。測量范圍為0~50 mm,測量精度為±1 mm,輸出信號為0~5.00 V DC,對應0~50 mm的液位高度。

進行觀測時，降水通過傳感器的采集漏斗進入測量腔體，使測量腔體內(nèi)的液位高度發(fā)生變化，液位高度的變化值即為觀測時段的降水量。當傳感器的液位高度達到50 mm 時，傳感器自動產(chǎn)生虹吸，虹吸時間為30 s左右，虹吸后，傳感器的液位高度回到零。

1.3 信號采集器

信號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)采集板采集測量降水量傳感器的0~5.00 V DC 輸出模擬量信號，并將模擬信號轉換為液位高數(shù)字信號發(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，該系列單片機具有高性能、低功耗的特點，處理器本身集成了10 位模/數(shù)轉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單。模/數(shù)轉換電路中采用的AD623 是一個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允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下，AD623被設置為單位增益;外接電阻后，AD623可編程設置增益，其增益最高可達1 000倍 .AD623放大器對降水量傳感器輸出的0~5.00 V DC信號進行預處理，處理后接入中央處理器的模/數(shù)轉換通道，對信號進行讀取。RS 232通信接口電路采用了MAX232芯片，這是一款兼容RS 232標準的芯片，由于電腦串口RS 232的電平是-10~+10 V,而單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平(0~+5 V)，MAX232 就是用來進行電平轉換的。

CPU 通過模/數(shù)轉換通道讀取到的液位高值再通過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軟件的PC機。專用觀測軟件用來自動統(tǒng)計計算和存儲各時段(分鐘、小時、天、月和年)降水量。作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機通過串行接口與信號采集器連接，自動接收來自信號采集器的液位高數(shù)據(jù)。

2 軟件設計

2.1 信號采集器軟件

信號采集器軟件由定時器子程序、模/數(shù)轉換子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序構成。該軟件由單片機C語言進行編制，實現(xiàn)了模/數(shù)轉換通道定時讀取，并通過可編程串行接口發(fā)送讀取結果的功能。信號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)計及存儲子程序和降水強度統(tǒng)計及存儲子程序構成。該軟件由Qt4 進行編制，實現(xiàn)了觀測地區(qū)降水量統(tǒng)計和降水強度統(tǒng)計的功能。軟件流程圖如圖4所示。

在進行液位高數(shù)據(jù)奇異值剔除時，應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)生虹吸都會引起液位高度的減小，可將“傳感器的虹吸時間為30 s左右”作為依據(jù)進行區(qū)別判斷，并進行不同的數(shù)據(jù)處理。在進行分鐘、小時、天降水量統(tǒng)計時，采用當前液位高度與基準液位高度進行差值計算的方法進行統(tǒng)計，而不采用分鐘降水量的累計計算的方法。實際應用證明該方法可有效消除因傳感器本身誤差和模擬信號轉化誤差帶來的累積誤差。

3 結語

基于以上本方案所設計的降水量采集系統(tǒng)已于2012年3月在廣東湛江進行了為期一個月的降水量比對試驗。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地，將兩者的采集數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結果進行了對比，兩者數(shù)據(jù)基本吻合。從而證實了本方案所設計的降水量采集系統(tǒng)具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守的特點，可應用于各種氣象觀測站。