基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統設計

2 系統設計
本系統主要由AT89S52單片機、超聲波發(fā)射和接收電路、進(jìn)水排水及測量控制電路系統、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)節組成。具有實(shí)時(shí)測量雨量、存儲雨量信息、與上位機通信等功能。系統框圖如圖2所示。

系統在正常的測量狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)單片機控制進(jìn)水閥開(kāi)啟。雨水首先經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)濾除冰雹等固體物質(zhì)，進(jìn)入緩沖桶(防止雨水的濺出及氣泡對超聲波測量的影響)后，經(jīng)過(guò)細長(cháng)的玻璃管進(jìn)入測量桶內。單片機在正常狀態(tài)下，先發(fā)射一個(gè)參考波形(頻率為40 kHz)，然后經(jīng)過(guò)功放電路后，由T40發(fā)射。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再由接收管接收，并經(jīng)過(guò)功放電路。為減小誤差，需經(jīng)過(guò)過(guò)零調節電路后由單片機讀取信號。此后單片機通過(guò)計時(shí)計算速度，再發(fā)送一族波形計算實(shí)時(shí)的液位高度，通過(guò)每秒的高度差，計算雨量大小，并通過(guò)本地電路顯示，同時(shí)通過(guò)Modem傳送至上位機部分。
如果雨量過(guò)大，則蜂鳴器會(huì )產(chǎn)生相應的報警信號；如果系統不能工作在正常狀態(tài)，則單片機通過(guò)控制命令，啟動(dòng)開(kāi)啟閥并放大后，使電磁閥工作并排水。
在測量的過(guò)程中，將會(huì )出現兩個(gè)距離，一個(gè)為擋板距離，另一個(gè)為液位高度。通過(guò)比較返回時(shí)間的先后來(lái)確定兩者的具體含義。在超聲波速度的檢測過(guò)程中，采用定時(shí)測量的方式，時(shí)時(shí)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。根據實(shí)際情況，本系統采用40 kHz4阼為發(fā)射頻率。單片機經(jīng)過(guò)編程產(chǎn)生40 kHz頻率后，經(jīng)過(guò)9015信號放大后驅動(dòng)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(guò)信號處理環(huán)節后，送給單片機。通過(guò)單片機的定時(shí)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(shí)間。連續發(fā)送10次，然后取平均值。

2．2 進(jìn)水排水及測量控制電路系統
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。測量桶上的緩沖桶用于強降雨時(shí)因濺出而引起的誤差，其要求是雨量的殘留量低。超聲波探頭安裝于測量桶頂部，間距100 mm(防止互相干擾)?？紤]到超聲波有1 ms延時(shí)，存在盲區為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，由單片機控制并進(jìn)行放大驅動(dòng)后發(fā)送信號驅動(dòng)開(kāi)水閥和排水器(通過(guò)開(kāi)啟電磁閥)進(jìn)行相應操作。測量時(shí)，當測量筒內的水位低于某值h0或高于某值h1時(shí)，進(jìn)行控制并記錄水位之差。
2．3 與上位機的遠程通信電路
為了對降雨強度的變化進(jìn)行分析或測定水位漲落速度超限報警燈，以便遠程監測，可用程序設定定時(shí)采樣，并送出數據，隨時(shí)比較分析。AT89S52負責從雨量監測現場(chǎng)采集參考速度及雨量信息，并將其存入存儲器中，同時(shí)負責Modem的初始化工作，并實(shí)現通信所必須的撥號、連接、傳送、掛斷等功能。上位機的軟件系統可以采用基于Windows的窗口化程序設計技術(shù)，可用Visual C++6．0開(kāi)發(fā)，界面友好，實(shí)現方便。對于Modem的控制，使用AT命令來(lái)完成。而Modem具有自動(dòng)呼叫、應答功能。通過(guò)發(fā)送命令ATDT65126747和應答命令ATZ可以形成通信鏈路。在收到其傳送的數據后，在其界面窗口上實(shí)時(shí)顯示、存儲。