基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統設計

3 軟件設計
圖4為系統軟件設計流程圖。單片機通過(guò)檢測是否按下K1來(lái)決定是否發(fā)射超聲波。首先發(fā)射參考波形，通過(guò)計數器計數，以計算實(shí)時(shí)速度，并存儲。然后再發(fā)射超聲波，進(jìn)行來(lái)回時(shí)間的計算，以判斷液面高度是否已超出量程范圍。如果超出范圍，則報警并開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)，否則進(jìn)行連續10次的調用，并且取平均值。最后通過(guò)其他各環(huán)節的顯示、存儲或者處理。

4 誤差分析及校準
在測量雨量液位的過(guò)程中，會(huì )因外界的因素帶來(lái)各種誤差，如環(huán)境變化帶來(lái)的聲速變化、超聲波回波聲強的影響、數據處理時(shí)的誤差等。下面就這些問(wèn)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(shí)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(shí)測超聲波聲速。測量的雨量液位上方的介質(zhì)性質(zhì)相同，故聲速也一樣。參考兩者的返回時(shí)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(huì )因為溫度、濕度、氣壓等給系統帶來(lái)誤差。
4．2 過(guò)零誤差
回波的聲強與探頭距液位的遠近有關(guān)系，實(shí)際測量雨量液位時(shí)可能不是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，這種誤差不能完全消除，但可以根據障礙物的距離調整脈沖群的脈沖個(gè)數及調整動(dòng)態(tài)比較電壓來(lái)減小誤差。另一方面，將求距離公式后加一個(gè)補償計時(shí)誤差也可減小該誤差。
4．3 觸發(fā)誤差
由于信號在傳輸過(guò)程中要經(jīng)過(guò)放大整形等信號處理環(huán)節，門(mén)控產(chǎn)生“開(kāi)、關(guān)門(mén)脈沖”，受噪聲信號的影響，使得觸發(fā)時(shí)間帶來(lái)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(huì )造成超聲波的散射現象，通過(guò)對單片機的控制進(jìn)行延遲提高抗干擾能力。另外對于數據誤差等，可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率和提高超聲波換能器的固有頻率等來(lái)減少。超聲波自身也會(huì )受到干擾，可以注意印制板走線(xiàn)，注意屏蔽。另外，超聲波傳感器需要通過(guò)同軸電纜與電路相連。
此外可以通過(guò)軟件方法，如數字均值濾波和相關(guān)濾波來(lái)抑制隨機噪聲。

5 注意事項
在安裝超聲波傳感器的時(shí)候，還應該注意以下幾點(diǎn)：
(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(yǔ)
該系統具有很高精度，而且節約硬件，能夠實(shí)現遠距離控制。與溫度補償相比，該系統利用實(shí)時(shí)測量的方法，使得測量更為準確、方便。經(jīng)過(guò)分析，誤差滿(mǎn)足設計要求。系統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(lái)儀表的發(fā)展趨勢。