專利名稱：一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明涉及一種用于小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量測量的超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)及其測量方法。
背景技術(shù)：
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現(xiàn)有技術(shù)中，雨量測量主要有翻斗式與虹吸式。翻斗式結(jié)構(gòu)簡單，但精度受雨強(qiáng)大小影響較大，大雨或暴雨時，誤差較大；且其機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)影響其壽命，需要定期維護(hù)。虹吸式有一定精度，但主要應(yīng)用于現(xiàn)場讀數(shù)，不利于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜不利于安裝、維護(hù)；無損失降雨觀測量程小。同時，雨量測量主要有以下兩大特點(diǎn)
精度要求高。按國家降雨量規(guī)范要求，雨量測量應(yīng)每分鐘上報(bào)一次，即雨強(qiáng)每分鐘的降雨量。精度不高，會造成年、月、日累計(jì)雨量相當(dāng)大的誤差。誤差太大，將失去雨量測量的意義。 工作環(huán)境惡劣山區(qū)、庫區(qū)等重要地區(qū)主要為野外環(huán)境。因此對于雨量測量設(shè)備有以下需求 精度高
安裝方便，用戶便于使用
人工干預(yù)少，數(shù)據(jù)能遠(yuǎn)程傳輸，自動化程序高
抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)野外工作環(huán)境
性能穩(wěn)定，無故障不間斷工作時間長，維護(hù)少
無損失降雨觀測量程大。根據(jù)雨量測量的實(shí)際情況，當(dāng)前主要的兩種雨量測量方式均不能滿足雨量測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、低功耗的超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)及其測量方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方案是提供一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)，包括雨量桶，關(guān)鍵是還包括超聲波換能器、校正量具、排水系統(tǒng)和控制器，校正量具設(shè)于雨量桶內(nèi)，換能器置于雨量桶內(nèi)的底部，校正量具的下方，排水系統(tǒng)包含控制排水的闊門，設(shè)于雨量桶的底部。
上述控制器包含微處理器CPU、發(fā)射輸出電路、接收輸入電路、數(shù)據(jù)存儲電路、閥門驅(qū)動電路和電源電路，微處理器CPU經(jīng)閥門驅(qū)動電路驅(qū)動閥門工作，微處理器CPU通過發(fā)射輸出電路激勵換能器發(fā)射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具表面反射并被換能器接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸入電路輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，超聲波垂直傳播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被換能器接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸入電路輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，微處理器CPU經(jīng)數(shù)據(jù)存儲電路存儲數(shù)據(jù)，電源電路向各部分電路提供所需的電源。
在一種實(shí)施方式中，上述超聲波換能器設(shè)有二個， 一個為校正用換能器，置于校正量具的正下方，校正換能器發(fā)射超聲波至校正量具表面，并接收反射回來的超聲波，另一個為測量用換能器，和校正換能器發(fā)射頻率相同，處于同一水平面，偏離校正量具，測量換能器發(fā)射超聲波至雨量桶聚集的雨水表面，并接收反射回來的超聲波。所述校正量具可以為完全反射校正換能器發(fā)射超聲波的寬不銹鋼板。
在另一種實(shí)施方式中，上述超聲波換能器設(shè)有一個，該換能器發(fā)射的超聲波，一部分至校正量具表面反射，并被換能器接收，另一部分穿過校正量具，至雨量桶聚集的雨水表面反射，并被換能器接收。所述校正量具可以為部分反射換能器發(fā)射超聲波的窄不銹鋼板。
作為本發(fā)明的改進(jìn)，還包括清洗系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)包含正對換能器的噴嘴和抽水至
噴嘴的水泵，控制器還包含水泵驅(qū)動電路，微處理器CPU經(jīng)水泵驅(qū)動電路驅(qū)動水泵工
作。以便定時自動清洗超聲波換能器表面的淤積物，并在排水時一并將淤積物排出雨量桶。 ■
通過微處理器CPU軟件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)智能排水，當(dāng)檢測雨量桶內(nèi)水位達(dá)到設(shè)定水
位后，在檢測到?jīng)]有降雨時，自動開動清洗系統(tǒng)同時開啟閥門，將經(jīng)過清洗的雨量桶內(nèi)雨水及時排出桶外，便于下一次降雨檢測。
還可以包括檢測雨量桶內(nèi)雨水溫度的雨水溫度傳感器，設(shè)于雨量桶內(nèi)的底部，控
制器還包含雨水溫度檢測電路，微處理器CPU通過雨水溫度檢測電路讀取雨水溫度傳
感器的數(shù)值。還可以包括檢測實(shí)時降雨雨溫的降雨溫度傳感器，設(shè)于雨量桶的外部，控制器還包含降雨溫度檢測電路，微處理器CPU通過降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器的數(shù)值。設(shè)計(jì)專門檢測雨量桶內(nèi)雨水溫度的雨水溫度傳感器和專門檢測實(shí)時降雨雨溫的降雨溫度傳感器，便于收集更多的降雨觀測資料，便于信息融合。
上述控制器還包含通訊接口，微處理器CPU通過通訊接口和外部設(shè)備通信，比如和上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。
可見，本發(fā)明控制器起到協(xié)調(diào)、管理整個工作過程的作用。其微處理器CPU可實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、雨量測量、自動清洗、自動排水、通訊等的智能控制。
本發(fā)明的另一方案是提供一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量測量方法，它包含下列歩驟 '
確定超聲波換能器發(fā)射超聲波，到從校正量具返回，所經(jīng)歷的時間tl;
和所述換能器同一水平面、具有同一發(fā)射功率的同一或另一換能器發(fā)射超聲波，到從雨量桶聚集的雨水表面返回，所經(jīng)歷的時間t2;再按照公式 ，
H二^h 其中h為換能器表面到校正量具的垂直距離，。
獲取當(dāng)前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當(dāng)前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H和上一次換能
器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離Hl，若當(dāng)前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D;若當(dāng)前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl，
則降雨量D二0。
本發(fā)明的超聲波換能器用于產(chǎn)生與接收超聲波信號，通過分別檢測超聲波至校正量具的發(fā)射一接受時間tl，超聲波至雨量桶內(nèi)聚集雨水表面的發(fā)射一接受時間t2，若校正量具的高度為h厘米，則雨水表面到底部的高度為H二hXt2/tl。可見，因校正量具的高度h固定不變，故雨量桶內(nèi)雨水表面的高度僅與兩個檢測時間的精度有關(guān)，與其他溫度、介質(zhì)粘度、比重、氣壓等因素?zé)o關(guān)。
6由于本發(fā)明能精確測量雨量桶內(nèi)雨水表面的高度，從而能精確測量降雨量。


圖l(a)為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖l(b)為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖2(a)為本發(fā)明實(shí)施例一的控制器電路原理框圖
圖2(b)為本發(fā)明實(shí)施例二的控制器電路原理框圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電源電路原理圖4為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲電路原理圖5為本發(fā)明實(shí)施例的通訊接口電路原理圖6為本發(fā)明實(shí)施例的高壓電路原理圖7為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)射電路原理圖8為本發(fā)明實(shí)施例的接收放大電路原理圖9為本發(fā)明實(shí)施例的電壓比較電路原理圖IO為本發(fā)明實(shí)施例的光電耦合電路原理圖11為本發(fā)明實(shí)施例的水泵驅(qū)動電路原理圖12為本發(fā)明實(shí)施例的閥門驅(qū)動電路原理圖13為本發(fā)明實(shí)施例的溫度檢測電路原理圖14為本發(fā)明實(shí)施例的主程序流程圖15為本發(fā)明實(shí)施例的雨量測量子程序流程圖16為本發(fā)明實(shí)施例的水泵清洗子程序程序流程圖17為本發(fā)明實(shí)施例的閥門排水子程序流程具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。實(shí)施例一
如圖l(a)所示，本發(fā)明實(shí)施例一，包括集雨器l、雨量桶2、校正用超聲波換能器3、測量用超聲波換能器4、校正量具5、控制器6、雨水溫度傳感器7、降雨溫度傳感器8、排水系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)。校正量具5設(shè)于雨量桶2內(nèi)，校正換能器3和測量換能器4發(fā)射頻率相同，均置于雨量桶2內(nèi)的底部，處于同一水平面，校正換能器3置于校正量具5的正下方，測量換能器4偏離校正量具5。校正量具5為完全反射校正換能器3發(fā)射超聲波的寬不銹鋼板，取寬25mm，長90mnu厚1.5mm。雨水溫度傳感器7設(shè)于雨量 桶2內(nèi)的底部，用于檢測雨量桶2內(nèi)的雨水溫度，降雨溫度傳感器8設(shè)于雨量桶2的外部， 用于檢測實(shí)時降雨雨溫。排水系統(tǒng)包含控制排水的閥門9，設(shè)于雨量桶2的底部，清洗 系統(tǒng)包含正對校正換能器3、測量換能器4的噴嘴10和抽水至噴嘴的水泵11。
如圖2(a)所示，實(shí)施例一的控制器6包含微處理器CPU、接收輸入電路、發(fā)射輸 出電路、數(shù)據(jù)存儲電路、水泵驅(qū)動電路、閥門驅(qū)動電路、雨水溫度檢測電路、降雨溫 度檢測電路、通訊接口和電源電路。接收輸入電路包括依次串接的接收放大電路、檢 波電路、電壓比較電路、光電隔離電路和整形電路。發(fā)射輸出電路包括光電隔離電路、 高壓電路、第一路發(fā)射電路、第二路發(fā)射電路。光電隔離電路隔離數(shù)字電路和模擬電 路，微處理器CPU通過其P麗口經(jīng)光電隔離電路控制高壓電路產(chǎn)生高壓，為第一路發(fā)射 電路和第二路發(fā)射電路提供高壓，隨后，微處理器CPU產(chǎn)生同步發(fā)射脈沖經(jīng)光電隔離 電路控制第一路發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵校正換能器3發(fā)射超聲波，超聲波垂直 傳播至校正量具5表面反射，并被校正換能器3接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸入電路 輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；同樣，微處理器CPU產(chǎn)生同步發(fā)射脈沖經(jīng)光電隔離電 路控制第二路發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵測量換能器4發(fā)射超聲波，超聲波垂直傳 播至雨量桶2聚集的雨水表面反射，并被測量換能器4接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸 入電路輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。微處理器CPU經(jīng)數(shù)據(jù)存儲電路存儲數(shù)據(jù)，存儲 相應(yīng)參數(shù)、溫度、雨量以及雨量累計(jì)量等。微處理器CPU經(jīng)水泵驅(qū)動電路驅(qū)動水泵ll 工作，控制清洗；經(jīng)閥門驅(qū)動電路驅(qū)動閥門9工作，控制排水；經(jīng)雨水溫度檢測電路 讀取雨水溫度傳感器7的數(shù)值；經(jīng)降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器8的數(shù)值；經(jīng) 通訊接口和上位機(jī)通信。微處理器CPU檢測雨量桶2內(nèi)雨水的液位、溫度以及上位機(jī)相 應(yīng)命令，通過規(guī)定的控制方法測量雨量、控制閥門9、水泵11工作。電源電路向各部 分電路提供所需的電源。
控制器6激勵超聲波換能器發(fā)射超聲波，超聲波在空氣與水的界面會發(fā)生反射， 反射回的超聲波被超聲波換能器接收轉(zhuǎn)化為電信號，控制器6通過檢測這些電信號可 得到超聲波在水中經(jīng)歷的時間。通過式(l)，即可求得超聲波換能器表面到雨量桶聚 集雨水表面的垂直距離，即液位。通過測量雨量筒2內(nèi)的液位差，即可得到降雨量， 因此，對雨量的測量轉(zhuǎn)化為對雨量筒2內(nèi)液位的測量。
8<formula>formula see original document page 9</formula> 式(1)
式中c超聲波在水中傳播的速度
t超聲波從發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時間 s換能器表面到反射面的垂直距離 但由于超聲波在水中傳播的速度，并不是恒定不變的，會隨著溫度、大氣壓力、 粘度等參數(shù)的改變而改變。因此，要精確測量液位，就需要聲速校正。
溫度、大氣壓力、粘度等參數(shù)對聲速的影響呈現(xiàn)非線性特性。本發(fā)明采用聲學(xué)標(biāo) 準(zhǔn)校iH量具的方法，可一次校正溫度、大氣壓力、粘度等參數(shù)的變化對聲速的影響。 如圖l(a)所示，校正換能器3發(fā)射的超聲波，被校正量具5反射，校正量具5為 具有一定寬度的不銹鋼板，取寬25mm,長卯mm,厚1.5mm，通過式(2)可得到校正換 能器3表面到校正量具5的垂直距離h。測量換能器4發(fā)射的超聲波，被雨量桶2聚 集的雨水表面反射，通過式(3)可得到測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的 垂直距離H。
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(2)
式中Cl校正換能器3發(fā)射的超聲波在雨量筒2內(nèi)聚集雨水中傳播的速度
h 校正換能器3表面到校正量具5的垂直距離 、超聲波從發(fā)射到從校正量具5反射回，所經(jīng)歷的時間
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(3)
式中c 測量換能器4發(fā)射的超聲波在雨量筒2內(nèi)聚集雨水中傳播的速度 H測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離 t2超聲波從發(fā)射到從雨量桶2聚集雨水表面反射回，所經(jīng)歷的時間 由式(2)、③可得式(4):
<formula>formula see original document page 9</formula>式(4)
由于在同一液體中，相同頻率的超聲波傳播速度相同，因此只要保證校正換能 器3、測量換能器4的頻率相同，即有c,= c2，校正換能器3、測量換能器4的頻
率均取5M。因此蘭=^ = 1
得H=^h 式(5)
對于實(shí)施例一，校正換能器3到校正量具5的垂直距離h為固定值，取50mm。 因此通過式(5)，測量出校正換能器3、測量換能器4發(fā)射出的超聲波，從發(fā)射到返
回所經(jīng)歷的時間t,、 t2，即可求得測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂
直距離H，即液位。
對于式(5)，液位的測量，只與tp t2、 h有關(guān)，而與聲速無關(guān)。
因此，圖l(a)所示的雙換能器聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)校正量具法可以完全校正溫度、大氣壓 力、粘度等參數(shù)變化對聲速的影響所帶來的誤差。 實(shí)施例 一 的雨量測量方法，包含下列步驟 確定校正換能器3發(fā)射超聲波，到從校正量具5返回，所經(jīng)歷的時間tl;
測量換能器4發(fā)射超聲波，到從雨量桶2聚集的雨水表面返回，所經(jīng)歷
的時間t2; 再按照公式
H=!lh 其中h為校正換能器3表面到校正量具5的垂直距離， 獲取當(dāng)前測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當(dāng)前測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H和上 一次測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離Hl， 若當(dāng)前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若當(dāng)前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl， 則降雨量D二O。
如圖2(a)所示，微處理器CPU通過其P麗口控制高壓電路，產(chǎn)生高壓。隨后微 處理器CPU產(chǎn)生同步發(fā)射脈沖控制第一路發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵校正換能器3發(fā)生超聲波。超聲波回波通過校正換能器3轉(zhuǎn)化成電信號，通過接收放大電路、檢波 電路、電壓比較電路、光電隔離電路、整形電路，入進(jìn)微處理器CPU，并被微處理器 CPU檢測到。微處理器CPU從產(chǎn)生發(fā)射脈沖開始打開計(jì)時器，到回波信號進(jìn)入微處理 器CPU關(guān)閉計(jì)時器，以獲得超聲波傳輸時間tl，以同樣的方式獲得測量換能器4產(chǎn) 生的超聲波傳輸時間t2。
可見，實(shí)施例一通過集雨器1將雨水集于雨量筒2內(nèi)，微處理器CPU控制校正 換能器3發(fā)射超聲波并獲得超聲波傳輸時間tl，控制測量換能器4發(fā)射超聲波并獲 得超聲波傳輸時間t2，即可獲取測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直 距離H，測量雨量筒2內(nèi)液位差，即可得到降雨量D。
實(shí)施例二
如圖l(b)所示，本發(fā)明實(shí)施例二和實(shí)施例一的不同之處是僅使用一個超聲波換 能器3,校正量具5相對實(shí)施例一，要窄一些，為部分反射換能器3發(fā)射超聲波的窄 不銹鋼板，取寬5mm，長90mm，厚1.5mm，該換能器3發(fā)射的超聲波， 一部分至 校正量具5表面反射，并被換能器3接收，另一部分穿過校正量具5，至雨量桶2聚 集的雨水表面反射，并被換能器3接收。相應(yīng)地，如圖2(b)所示，實(shí)施例二的控制 器6中發(fā)射輸出電路包括光電隔離電路、高壓電路、發(fā)射電路，就只有一路發(fā)射電路。
實(shí)施例二的其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施例一相同，此處不多描述。
如圖l(b)所示，超聲波換能器3發(fā)射的超聲波， 一部分被校正量具5表面反射， 一部分穿過校正量具5，被雨量桶2聚集的雨水表面反射。設(shè)被校正量具5反射的超
聲波傳輸時間為t,,被雨量桶2聚集雨水表面反射的超聲波傳輸時間為t2 。
通過式(4)有'
由于被校正量具5反射回的超聲波與被雨水表面反射回的超聲波，均是同一換 能器3產(chǎn)生的一次超聲波中的兩部分，因此頻率相同，即聲速也相同。。
所以圖l(b)中采用的單換能器聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)校正量具法同樣能校正溫度、大氣壓力、 粘度等參數(shù)變化對聲速的影響，以達(dá)到精確測量的目的。
實(shí)施例二的雨量測量方法，包含下列步驟確定超聲波換能器3發(fā)射超聲波，到從校正量具5返回，所經(jīng)歷的時間tl;
到從雨量桶2聚集的雨水表面返回，所經(jīng)歷的時間t2; 再按照公式
H=^h 其中h為換能器3表面到校正量具5的垂直距離， 八
獲取當(dāng)前換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當(dāng)前換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H和上一次 換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離Hl， 若當(dāng)前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若當(dāng)前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl， 則降雨量D二0。
如圖2(b)所示，微處理器CPU通過其P麗口控制高壓電路，產(chǎn)生高壓，隨后微 處理器CPU產(chǎn)生同步發(fā)射脈沖控制發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵換能器3發(fā)生超聲波。 超聲波回波通過換能器3轉(zhuǎn)化成電信號，通過放大電路、檢波電路、電壓比較電路、 光電隔離電路、整形電路，入進(jìn)微處理器CPU，并被微處理器CPU檢測到。微處理器 CPU從產(chǎn)生發(fā)射脈沖開始打開計(jì)時器，當(dāng)被校正量具5反射的回波信號進(jìn)入微處理器 CPU,獲得從校正量具5反射回波經(jīng)歷時間tl，計(jì)時器繼續(xù)工作，當(dāng)被雨量桶2聚集 雨水表面反射的回波信號進(jìn)入微處理器CPU，關(guān)閉計(jì)時器，獲得從雨量桶2聚集雨水 表面反射回波經(jīng)歷時間t2。
可見，實(shí)施例二通過集雨器1將雨水集于雨量筒2內(nèi)，微處理器CPU控制換能 器3發(fā)射超聲波，獲得從校正量具5反射回波經(jīng)歷時間tl，獲得從雨量桶2聚集雨 水表面反射回波經(jīng)歷時間t2，即可獲取換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂 直距離H，測量雨量筒2內(nèi)的雨水液位差，即可得到降雨量D。
本發(fā)明實(shí)施例的閥門9在控制器6的控制下用于排水，在兩種情況下需要排水
1) 防止雨量筒2內(nèi)雨水溢出，設(shè)定兩道警戒線。當(dāng)液位高于第一道警戒線， 等待下雨結(jié)束后，排水。當(dāng)液位高于第一道警戒線后，下雨未結(jié)束，液位 繼續(xù)上升并高于了第二道警戒線，不管當(dāng)時是否下雨，均要排水。防止雨水溢出的排水，不需要將筒內(nèi)雨水放完，只需要放到安全液位即可。 本發(fā)明實(shí)施例設(shè)定雨量筒深500腿； 安全液體200咖；
第一道警戒線350mm;第二道警戒線450mm; 2) 通過雨水溫度傳感器7檢測雨量筒2內(nèi)水溫，水溫低于0. 5'C時，為防止 筒內(nèi)雨水結(jié)冰后對傳感器7，以及閥門9、水泵ll的破壞，需要將雨水全
部排完。當(dāng)水溫高于rc后，關(guān)閉閥門9。
水泵11在控制器6的控制下，用于對雨量筒2以及傳感器7的清洗。
1) 定期對超聲波換能器表面清洗，保持其表面清潔。本發(fā)明實(shí)施例規(guī)定每4 小時，對換能器表面脈沖式清洗四下。
2) 當(dāng)閥門9排水時，需打開水泵ll，攪動雨量筒2底部長時間積累的污質(zhì)， 使其通過排水口排出。
本發(fā)明實(shí)施例的微處理器CPU選用NEC公司的8位PPD78F0881型單片機(jī)，IK RAM,
32KROM，內(nèi)置一路CAN總線接口、 2路UART接口、 一路"C接口。采用20M晶
振，單片機(jī)工作主時鐘10M，計(jì)數(shù)器時鐘20M。
如圖3所示，為實(shí)施例電源電路原理圖圖3 (a)為電源接入部分電路。Cl、 C2 主要起濾波作用。D為防反接二極管。F為自恢復(fù)保險(xiǎn)，在電路異常出現(xiàn)大電流時切 斷工作電源，保護(hù)其它電路。系統(tǒng)工作主電源為12VDC。圖3 (b)為12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電 路，負(fù)責(zé)為單片機(jī)與485接口供電VCC。圖3(c)電源控制開關(guān)，系統(tǒng)除單片機(jī)與485 接口，其它部分的電源從12V2引入。在Control端加低電平，三極管Q截止，P溝 道M0S管柵極為高電平，M0S管截止，輸出電壓為0， 12V2=0V。當(dāng)Control端為高電 平時，三極管Q導(dǎo)通，P溝道M0S管柵極為低電平，M0S管導(dǎo)通，輸出電壓約為12VDC， 12V2=12V，系統(tǒng)上電工作時，在Control端加高電平，閑時在Control端加低電平。 除單片機(jī)與485接口外其它部分?jǐn)嚯?，以保證系統(tǒng)低功耗運(yùn)行。圖3(d)為12VDC轉(zhuǎn) 士12VDC電路，采用DC-DC模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地與模擬地隔離。
如圖4所示，實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲電路采用AT24C02 E2R0M存儲芯片，實(shí)現(xiàn)對電
路參數(shù)、雨量、雨量累計(jì)量、溫度的存儲與掉電保護(hù)。
如圖5所示，為實(shí)施例通訊接口電路原理圖，采用485接口與上位機(jī)通信。選用 專用485接口低功耗芯片65HVD3082。通過二極管D1、 D2、 D3、 D4以及F1、 F2自恢
13復(fù)保險(xiǎn)保護(hù)總線安全。
如圖6所示，是實(shí)施例高壓電路原理圖，為反激式升壓電路，實(shí)現(xiàn)12VDC到200VDC 的升壓，用于超聲波發(fā)射的電壓一聲波轉(zhuǎn)換高壓電源。在N溝道M0S管K2645的柵極 加頻率為100K頻率的P畫觸發(fā)信號，持續(xù)時間為l秒，通過高頻變壓器T，可在電 容C中存儲200V的電壓。高頻變壓器匝比為12: 200。
如圖7所示，為實(shí)施例發(fā)射電路原理圖，當(dāng)N溝道M0S管K2645的柵極的為低電 平時，M0S管截至，電路通過R1、 C、 D2，可在電容C中充入200V電壓。在MOS管柵 極加一高電平脈沖，MOS管在脈沖高電平期間導(dǎo)通，電路通過電容C、 MOS管、電阻 R2、換能器SF、 二極管D3構(gòu)成電容C的放電回路，因此在換能器SF上，可產(chǎn)生-200V 的脈沖，電阻R2起到分流作用，防止，大電流燒壞換能器SF。換能器SF在-200V 脈沖的作用下產(chǎn)生超聲波。
如圖8所示，為實(shí)施例接收放大電路原理圖，超聲波回波被換能器接收后，轉(zhuǎn)化 成幾十毫伏到上百毫伏的交流電壓信號，通過運(yùn)算放大器M放大到伏級。電容C1、 C2、電阻R1起隔離作用，防止直流信號進(jìn)入放大器。二極管D1、 D2起鉗位作用，防
止高壓脈沖進(jìn)入放大電路，保護(hù)后級電路。放大器增益^1=，=20，將回波信號放大
到2V左右。通過C3隔離進(jìn)入濾波放大電路。濾波放大電路采用帶通過濾波器，中心 頻率為5M，帶寬為0.5M，放大增益為2。通過濾波放大后的回波信號進(jìn)入由D3、 R8、 C6組成的檢波電路，D3選用高頻檢波二極管IN60，檢波電路將放大濾波后的回波交 流信號轉(zhuǎn)化成包絡(luò)直流信號。
如圖9(a)所示，為實(shí)施例電壓比較電路，當(dāng)EN端電壓低于VRF時，電壓比較器 B通過上拉電阻R2輸出高電平，當(dāng)EN端電壓高于VRF時，電壓比較器B輸出翻轉(zhuǎn)為 低電平。當(dāng)包絡(luò)信號進(jìn)入電壓比較器時，由于電壓比較器的原理，在輸出端可形成低 電平的脈沖信號。通過反向器F可轉(zhuǎn)化成高電平的脈沖信號。VRF為電壓比較器的參 考電壓。圖9 (b)所示為比較器參考電壓產(chǎn)生電路。MC1403為精度為1%的穩(wěn)壓芯片， 5V輸入2. 5V輸出。通過電阻R1、 R2分壓，yRF為1. 25V參考電壓。
如圖10所示，為實(shí)施例光電耦合電路。光偶采用6N137高速光耦集成芯片。當(dāng) OUT端為低電平時，interrupt端為低電平，當(dāng)OUT端為高電平時，interr叩t端為 高電平。因此根據(jù)光電耦合的原理，接收電路產(chǎn)生的正脈沖信號，可以通過光電偶合電路產(chǎn)生正脈沖信號，進(jìn)入單片機(jī)外部中端端口，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，停止計(jì)時器 工作，獲得超聲波傳輸時間。
如圖11所示，為實(shí)施例水泵驅(qū)動電路。驅(qū)動電路采用電子開關(guān)的原理，當(dāng)Control 端為低電平時，三極管Q截止，P溝道MOS管柵極為高電平，M0S管截止，輸出電壓 為0，當(dāng)Control端為低電平時，三極管Q導(dǎo)通，P溝道MOS管柵極為低電平，M0S 管導(dǎo)通，輸出電壓約為12VDC。水泵釆用直流12VDC水泵。根據(jù)電子開關(guān)原理，當(dāng) Control端為低電平時，水泵不工作，當(dāng)Control端為低電平時，水泵工作。
如圖12所示，為實(shí)施例閥門驅(qū)動電路。驅(qū)動電路采用電機(jī)專用集成芯片L9110。 當(dāng)VAI+端為高TTL電平，VAI-端為低TTL電平時，VA0+端輸出高電平，VA0-端輸出 低電平，輸出電流可達(dá)800毫安，驅(qū)動閥門正向打開，同理VAI+端為低TTL電平， VAI-端為高TTL電平時，驅(qū)動閥門反向關(guān)閉。VAI+端與VAI-端同為高電平或低電平 時閥門不工作。
如圖13所示，為實(shí)施例溫度檢測電路。采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其DATA 端口只需接入單片機(jī)IO 口，按照規(guī)定的時序發(fā)命令，即可讀取溫度數(shù)據(jù)。電阻R為 上拉電阻，平時DATA 口為高電平。電容C為旁路濾波電容，溫度傳感器精度為0. 0625。C。
如圖14所示，為主程序流程圖，當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先初始化處理，進(jìn)入休眠 狀態(tài)等待上位機(jī)命令。當(dāng)485總線上有數(shù)據(jù)傳輸時，單片機(jī)從休眠狀態(tài)喚醒，判斷是 否是雨量測量命令，如果是，則完成測量工作，通過測量數(shù)據(jù)判斷是否需要清洗、排 水處理，并上報(bào)相應(yīng)數(shù)據(jù)，如不是，則繼續(xù)休眠。測量完成后單片機(jī)回到休眠狀態(tài)。 如圖15(a)所示，為雨量測量子程序，首先判斷系統(tǒng)是雙換能器還是單換能器， 對于雙換能器，校正換能器3與測量換能器4的回波時間需要獨(dú)立測量，對于單換能 器兩次回波時間可以同一過程中測量。根據(jù)測量的時間按式(5)可以計(jì)算得當(dāng)前雨量 桶內(nèi)雨水的液位H，再與上一次測量液位H1相比較，如果H〉H1，則認(rèn)為下雨，并將 其差值作為雨量D，否則認(rèn)為沒有下雨，雨量D為0。圖15 (b)為換能器回波時間測 量子程序，先通過100KHz PWM信號控制高壓電路工作1秒，產(chǎn)生200V高壓存儲于電 容中，等待100ms，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)射高壓脈沖，打開計(jì)時器，并延時30微 秒后打開中斷等待回波信號，延時30微秒的目的也是等待電路處于穩(wěn)定狀態(tài)防止對 中斷的干擾。中斷服務(wù)程序中，雙換能器系統(tǒng)只需要接收一次回波信號，即可關(guān)閉計(jì)
15時器，單換能器系統(tǒng)需要接收兩次回波信號方可關(guān)閉計(jì)時器。
如圖16所示，為水泵清洗子程序。水泵清洗過程采用脈沖式清洗法，開水泵2 秒，關(guān)閉水泵2秒，如此反復(fù)5次操作。
如圖17所示，為閥門排水子程序。電路上電后，先順時針開閥門5秒，再逆時針 丌閥門5秒，反復(fù)兩次。目的是通過正反轉(zhuǎn)清除閥門球體處的堵塞物。在排水過程中， 打開水泵，攪拌、沖洗雨量筒底部，使長時間沉淀在底部的雜質(zhì)從排水口排出。
本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于
精度高，性能穩(wěn)定，性能不受溫度、濕度、雨強(qiáng)等因素影響。
無損失降雨觀測量程最大可達(dá)500mm/天。
功耗低，在野外無市電的環(huán)境可用蓄電池長期供電。
數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸，無需到現(xiàn)場讀數(shù)。
增加雨溫檢測功能。
具有分、時、日、月、年雨量累計(jì)功能，在通信故障的情況下，數(shù)據(jù)不丟失，
保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
安裝維護(hù)方便，且具有自維護(hù)功能。
權(quán)利要求
1、一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)，包括雨量桶(2)，其特征在于還包括超聲波換能器、校正量具(5)、排水系統(tǒng)和控制器(6)，校正量具(5)設(shè)于雨量桶(2)內(nèi)，換能器置于雨量桶(2)內(nèi)的底部，校正量具(5)的下方，排水系統(tǒng)包含控制排水的閥門(9)，設(shè)于雨量桶(2)的底部；所述控制器(6)包含微處理器CPU、發(fā)射輸出電路、接收輸入電路、數(shù)據(jù)存儲電路、閥門驅(qū)動電路和電源電路，微處理器CPU經(jīng)閥門驅(qū)動電路驅(qū)動閥門(9)工作，微處理器CPU通過發(fā)射輸出電路激勵換能器發(fā)射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具(5)表面反射并被換能器接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸入電路輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，超聲波垂直傳播至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射并被換能器接收轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)接收輸入電路輸入微處理器CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，微處理器CPU經(jīng)數(shù)據(jù)存儲電路存儲數(shù)據(jù)，電源電路向各部分電路提供所需的電源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雨量計(jì)，其特征在于所述超聲波換能器設(shè)有二個，一個為校正用換能器(3)，置于校正量具(5)的正下方，校正換能器(3)發(fā)射超聲波至校正量具(5)表面，并接收反射回來的超聲波，另一個為測量用換能器(4)，和校正換能器(3)發(fā)射頻率相同，處于同一水平面，偏離校正量具(5)，測量換能器(4)發(fā)射超聲波至雨量桶(2)聚集的雨水表面，并接收反射回來的超聲波。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雨量計(jì)，其特征在于所述校正量具(5)為完全反射校正換能器(3)發(fā)射超聲波的寬不銹鋼板。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雨量計(jì)，其特征在于所述超聲波換能器設(shè)有一個，該換能器(3)發(fā)射的超聲波， 一部分至校正量具(5)表面反射，并被換能器(3)接收，另一部分穿過校正量具(5)，至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射，并被換能器(3)接收。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雨量計(jì)，其特征在于所述校正量具(5)為部分反射換能器(3)發(fā)射超聲波的窄不銹鋼板。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的雨量計(jì)，其特征在于還包括清洗系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)包含正對換能器的噴嘴(10)和抽水至噴嘴的水泵(11)，所述控制器(6)還包含水泵驅(qū)動電路，微處理器CPU經(jīng)水泵驅(qū)動電路驅(qū)動水泵(11)工作。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的雨量計(jì)，其特征在于還包括檢測雨量桶(2)內(nèi)雨水溫度的雨水溫度傳感器(7)，設(shè)于雨量桶(2)內(nèi)的底部，所述控制器(6)還包含雨水溫度檢測電路，微處理器CPU通過雨水溫度檢測電路讀取雨水溫度傳感器(7)的數(shù)值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的雨量計(jì)，其特征在于還包括檢測實(shí)時降雨雨溫的降雨溫度傳感器(8)，設(shè)于雨量桶(2)的外部，所述控制器(6)還包含降雨溫度檢測電路，微處理器CPU通過降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器(8)的數(shù)值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的雨量計(jì)，其特征在于所述控制器(6)還包含通訊接口 ，微處理器CPU通過通訊接口和外部設(shè)備通信。
10、 一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量測量方法，該方法包含下列步驟確定超聲波換能器發(fā)射超聲波，到從校正量具返回，所經(jīng)歷的時間tl;和所述換能器同一水平面、具有同一發(fā)射功率的同一或另一換能器發(fā)射超聲波，到從雨量桶聚集的雨水表面返回，所經(jīng)歷的時間t2;再按照公式H=^h 其中h為換能器表面到校正量具的垂直距離，獲取當(dāng)前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H;然后比較當(dāng)前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H和上一次換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離Hl，若當(dāng)前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，則按公式D=H-HI 求出降雨量D;若當(dāng)前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl，則降雨量D二0。
全文摘要
一種超聲波式自校準(zhǔn)高精度雨量計(jì)，包括雨量桶、超聲波換能器、校正量具、排水系統(tǒng)和控制器，校正量具設(shè)于雨量桶內(nèi)，換能器置于雨量桶內(nèi)的底部，校正量具的下方，排水系統(tǒng)包含排水閥門，設(shè)于雨量桶的底部。控制器包含CPU，CPU經(jīng)發(fā)射輸出電路激勵換能器發(fā)射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具表面反射并被換能器接收，經(jīng)接收輸入電路輸入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，超聲波垂直傳播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被換能器接收，經(jīng)接收輸入電路輸入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過分別檢測超聲波至校正量具的發(fā)射接受時間，超聲波至雨量桶內(nèi)聚集雨水表面的發(fā)射接受時間，本發(fā)明能精確測量雨量桶內(nèi)雨水表面的高度，從而能精確測量降雨量。本發(fā)明還提供了雨量測量方法。
文檔編號G01W1/14GK101464524SQ20091003657
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者鄭貴林 申請人:鄭貴林