基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、超聲波發(fā)射和接收電路、進(jìn)水排水及測(cè)量控制電路系統(tǒng)、報(bào)警電路及顯示電路、上位機(jī)通信電路、外圍保護(hù)電路等環(huán)節(jié)組成。具有實(shí)時(shí)測(cè)量雨量、存儲(chǔ)雨量信息、與上位機(jī)通信等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)在正常的測(cè)量狀態(tài)下，經(jīng)過單片機(jī)控制進(jìn)水閥開啟。雨水首先經(jīng)過濾網(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(duì)超聲波測(cè)量的影響)后，經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)的玻璃管進(jìn)入測(cè)量桶內(nèi)。單片機(jī)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)過功放電路后，由T40發(fā)射。經(jīng)過一段時(shí)間后再由接收管接收，并經(jīng)過功放電路。為減小誤差，需經(jīng)過過零調(diào)節(jié)電路后由單片機(jī)讀取信號(hào)。此后單片機(jī)通過計(jì)時(shí)計(jì)算速度，再發(fā)送一族波形計(jì)算實(shí)時(shí)的液位高度，通過每秒的高度差，計(jì)算雨量大小，并通過本地電路顯示，同時(shí)通過Modem傳送至上位機(jī)部分。
如果雨量過大，則蜂鳴器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；如果系統(tǒng)不能工作在正常狀態(tài)，則單片機(jī)通過控制命令，啟動(dòng)開啟閥并放大后，使電磁閥工作并排水。
在測(cè)量的過程中，將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)距離，一個(gè)為擋板距離，另一個(gè)為液位高度。通過比較返回時(shí)間的先后來確定兩者的具體含義。在超聲波速度的檢測(cè)過程中，采用定時(shí)測(cè)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(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用40 kHz4阼為發(fā)射頻率。單片機(jī)經(jīng)過編程產(chǎn)生40 kHz頻率后，經(jīng)過9015信號(hào)放大后驅(qū)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)過信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，送給單片機(jī)。通過單片機(jī)的定時(shí)器可以測(cè)出超聲波脈沖發(fā)生串發(fā)射至接收到回波信號(hào)所需的時(shí)間。連續(xù)發(fā)送10次，然后取平均值。

2．2 進(jìn)水排水及測(cè)量控制電路系統(tǒng)
濾網(wǎng)用在冰雹、雨夾雪等特殊的工作環(huán)境下，用于防護(hù)電路。測(cè)量桶上的緩沖桶用于強(qiáng)降雨時(shí)因?yàn)R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(cè)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(qū)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(cè)量桶上的緩沖桶截面積要大于測(cè)量桶，一般取倍。同樣為了避免盲區(qū)，由單片機(jī)控制并進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)后發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)開水閥和排水器(通過開啟電磁閥)進(jìn)行相應(yīng)操作。測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)量筒內(nèi)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(jī)的遠(yuǎn)程通信電路
為了對(duì)降雨強(qiáng)度的變化進(jìn)行分析或測(cè)定水位漲落速度超限報(bào)警燈，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可用程序設(shè)定定時(shí)采樣，并送出數(shù)據(jù)，隨時(shí)比較分析。AT89S52負(fù)責(zé)從雨量監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集參考速度及雨量信息，并將其存入存儲(chǔ)器中，同時(shí)負(fù)責(zé)Modem的初始化工作，并實(shí)現(xiàn)通信所必須的撥號(hào)、連接、傳送、掛斷等功能。上位機(jī)的軟件系統(tǒng)可以采用基于Windows的窗口化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，可用Visual C++6．0開發(fā)，界面友好，實(shí)現(xiàn)方便。對(duì)于Modem的控制，使用AT命令來完成。而Modem具有自動(dòng)呼叫、應(yīng)答功能。通過發(fā)送命令A(yù)TDT65126747和應(yīng)答命令A(yù)TZ可以形成通信鏈路。在收到其傳送的數(shù)據(jù)后，在其界面窗口上實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。