一種基于液壓傳感器的雨量計*

張秀再

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京信息工程大學江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術工程中心，南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044）

一種基于液壓傳感器的雨量計*

張秀再

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京信息工程大學江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術工程中心，南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044）

為改善目前雨量測量的方法和手段，本文設計了一種基于單片機AT89S52的液壓傳感器雨量計。采用液壓傳感器作為測量器件，將液壓傳感器所測壓強減去大氣壓強求出一定高度雨水產(chǎn)生的壓強，根據(jù)重力加速度可以計算出被測雨水的高度。該系統(tǒng)測量精度較高，容易實現(xiàn)，具有一定的參考價值。

雨量測量；AT89S52；液壓傳感器

0 引言

降水量是用來衡量降雨多少的一個概念，是衡量某一個地區(qū)在某段時間內(nèi)降雨多少的數(shù)據(jù)量［1］。目前，氣象、水文部門使用的雨量計一般多為虹吸式雨量計或者是翻斗式雨量計。虹吸式雨量計由于虹吸過程中的降雨一并流失，所以產(chǎn)生流失誤差，并且降雨強度越大，誤差越大。由于測量裝置沒有電信號接口，所以無法進行自動測量和數(shù)據(jù)實時處理。翻斗式雨量計通過來回翻動兩個平衡的翻斗來記錄降水量，這種測雨方法操作簡單，但存在小雨無反應，大雨、暴雨時誤差值大的問題。因為強降水時，翻斗來回翻動的頻率太大，而每次翻動翻斗內(nèi)都殘存一點水，翻動次數(shù)越多，誤差越大，且使用維護麻煩［2］。

針對虹吸式和翻斗式雨量計存在的問題［3］，為了減少蒸發(fā)和防止流失、滲透造成的雨量測量誤差，本文設計了一種以單片機為核心基于液壓傳感器的雨量計，其特點是測量精度較高，實現(xiàn)成本較低，能在任何雨強大小的情況下實現(xiàn)對雨量的自動、準確測量，并且可以通過單片機將數(shù)據(jù)記錄保存和通信傳輸。

1 液壓傳感器測量原理

液壓傳感器利用半導體材料硅壓阻效應的測量原理［4］，當液壓傳感器置入到容器內(nèi)被測雨水底部時，傳感器所承受的壓強為所在位置大氣壓與容器內(nèi)雨水產(chǎn)生的壓強之和。假設液壓傳感器所在位置的大氣壓為p0，則液壓傳感器所測壓強p為：

式中：ρ為雨水密度；h為雨水高度；g為當?shù)刂亓铀俣取?/p>

由式（1）可以推算得到雨水高度h，即降雨量為：

通過間隔一定時間連續(xù)兩次測量的降雨量可以計算出某時間段的雨強［5］。圖1所示為液壓傳感器測量降雨量的示意圖。

圖1 液壓傳感器測量降雨量的示意圖

2 測量裝置設計

雨量測量裝置如圖2所示。在降雨過程中，首先雨水進入集雨器3，集雨口4收集雨水。然后，雨水通過進水閥門5流入到測量筒6的左筒，并通過連通口9流入測量筒6的右筒，左右筒內(nèi)的液面高度保持相等。左筒底部因雨水下沖會增加底部受壓而右筒液面能夠保持平靜，可以避免因雨水下流的沖力影響測量結(jié)果，帶來測量誤差。測量筒6右筒的上端有出氣口8，可以使筒內(nèi)外的空氣流通，并且在必要時刻可以作為溢水口。出氣口8安裝在測量筒6右筒上端離底部200mm的警戒線以上位置。測量筒6右筒頂部封閉可以減少蒸發(fā)量。測量筒6右筒底部的液壓傳感器將測量的水壓傳輸給單片機，單片機根據(jù)水壓與水深成正比的關系來計算雨水高度。因集雨口面積和測量筒雙筒底面的面積比為10：1，則實際雨量是直接測量雨水高度的0.1倍，而誤差也是測量誤差的0.1倍。而且，通過間隔一定時間連續(xù)兩次測量的降雨量可以計算出某時間段的雨強。

圖2 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

進水閥門5和放水閥門11均為電磁閥門。其主要工作為：系統(tǒng)開始運作時，放水閥門11關閉，進水閥門5開啟，進入正常的測量；當測量筒內(nèi)的雨水高度達到200mm警戒線時，單片機通過電路控制進水閥門5關閉，然后放水閥門11開啟，進入放水階段。此時，雨水保持在集雨器內(nèi)不會造成流失誤差。放水完畢之后，放水閥門11關閉，進水閥門5開啟，進入正常測量階段。

3 硬件電路

3.1 硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件電路以AT89S52單片機為主控制器，還包括液壓傳感器測量模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、閥門控制模塊、鍵盤和顯示模塊。雨量計硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 雨量計硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 人機通訊

人機通訊包括鍵盤掃描、LCD、蜂鳴報警三部分，鍵盤采用4×4矩陣掃描鍵盤，可以設置或調(diào)整測量系統(tǒng)的測試參數(shù)。顯示部分采用的是LCD1602液晶，蜂鳴器的作用是當雨量超過設定值時，以鳴笛報警。

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為WinAVR，開發(fā)語言為C語言。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設計方法。軟件設計根據(jù)功能模塊劃分的程序主要有主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。

系統(tǒng)初始化后，進入鍵盤掃描狀態(tài)，當有按鍵按下時，執(zhí)行按鍵響應，否則單片機控制AD7705進行AD轉(zhuǎn)換，把測量的結(jié)果通過計算以后由LCD顯示出來。以此不斷進行循環(huán)對雨量的實時測量。主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)論

基于單片機的控制和處理可以實現(xiàn)雨量測量的自動化，單片機自動控制進水閥進水和放水閥放水，可以連續(xù)不間斷自動測量。雙閥門設計可以有效防止雨水流失造成的測量誤差。測量筒采用雙筒體下連通設計可以有效減小測量筒右筒因進水而造成的液面波動帶來的測量誤差，整個裝置也不存在滲透誤差。進水口面積是測量筒底面積的10倍，則實際誤差是將超聲波的直接測量誤差衰減到0.1倍。通過以上設計可以大大提高雨量測量的精度。

圖4 主程序流程圖

［1］黃功學.水利水電工程基礎［M］.北京：中國水利水電出版社，2010

［2］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2003：54－59

［3］舒大興，王志毅.JSP＿1型虹吸校正翻斗雨量計研制與特點［J］.水文，2009，29（6）：73－75

［4］夏勇.壓阻式壓力傳感器溫度補償?shù)难芯颗c實現(xiàn)［碩士論文］.儀器儀表學報，2011，32（3）：640－645

［5］汪青春，李林，劉蓓，秦寧生，朱盡文.青海省近40年雨日、雨強氣候變化特征［J］.氣象，2005（3）：50－54

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.05

* 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（CX10B＿303Z）和江蘇高等優(yōu)勢學科“傳感網(wǎng)與現(xiàn)代氣象裝備”建設項目資助（注：該資助項目沒有編號）