一种虹吸式传感器的降水量采集系统的设计方案

降水量是衡量一个地区降水多少的数据。它是指从天空降落到地面上的液态和固态(经融化后)降水，没有经过蒸发、渗透和流失而在水平面上积聚的深度，单位是毫米。

气象学中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量，6 h中降下来的雨雪统统融化为水，称为6 h降水量;24 h 降下来的雨雪统统融化为水，称为24 h 降水量;……一年中，降下来的雨雪统统融化为水，称为“年降水量”.单位时间的降水量称为降水强度，常用mm/h或mm/min为单位。单位时间的雨量称为雨强。

降水量资料提供了关于水分资源的依据，是国民经济建设、科学研究各部门，特别是农业、水利部门不可缺少的资料。其观测方法有人工观测和仪器自动记录两种。本设计实现了降水量的自动采集和数据统计功能，因其具备低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守的特点，可应用于各种气象观测站。

1 硬件设计

1.1 方案设计的原理框图

降水量采集系统由降水量传感器、信号采集器和作为数据处理终端的计算机三部分组成。其组成与原理框图如图1所示。

1.2 降水量传感器

常用的降水量传感器有翻斗式和虹吸式两种。本设计采用的是R.M.YOUNG公司生产的50202型虹吸式传感器，该传感器无活动部件，敏感器件为电容传感器。传感器的测量腔体和采集漏斗外部均有保温和加热装置，用于融冰或化雪。雨或雪通过采集漏斗进入测量腔体。测量范围为0~50 mm,测量精度为±1 mm,输出信号为0~5.00 V DC,对应0~50 mm的液位高度。

进行观测时，降水通过传感器的采集漏斗进入测量腔体，使测量腔体内的液位高度发生变化，液位高度的变化值即为观测时段的降水量。当传感器的液位高度达到50 mm 时，传感器自动产生虹吸，虹吸时间为30 s左右，虹吸后，传感器的液位高度回到零。

1.3 信号采集器

信号采集器由电源模块和数据采集板组成。电源模块为降水量传感器和数据采集板提供工作电源，数据采集板采集测量降水量传感器的0~5.00 V DC 输出模拟量信号，并将模拟信号转换为液位高数字信号发送给数据处理终端。

数据采集板原理图如图2所示。

数据采集板由中央处理器、模/数转换电路和RS 232 通信接口电路组成。中央处理器采用AVR系列单片机，该系列单片机具有高性能、低功耗的特点，处理器本身集成了10 位模/数转换器和可编程串行通信接口，这使得数据采集板的外围电路更为简单。模/数转换电路中采用的AD623 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3~+12 V)下提供满电源幅度的输出，AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下，AD623被设置为单位增益;外接电阻后，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1 000倍 .AD623放大器对降水量传感器输出的0~5.00 V DC信号进行预处理，处理后接入中央处理器的模/数转换通道，对信号进行读取。RS 232通信接口电路采用了MAX232芯片，这是一款兼容RS 232标准的芯片，由于电脑串口RS 232的电平是-10~+10 V,而单片机应用系统的信号电压是TTL电平(0~+5 V)，MAX232 就是用来进行电平转换的。

CPU 通过模/数转换通道读取到的液位高值再通过RS 232通信接口发送给数据处理终端。

1.4 数据处理终端

数据处理终端为安装有专用观测软件的PC机。专用观测软件用来自动统计计算和存储各时段(分钟、小时、天、月和年)降水量。作为数据处理终端的计算机通过串行接口与信号采集器连接，自动接收来自信号采集器的液位高数据。

2 软件设计

2.1 信号采集器软件

信号采集器软件由定时器子程序、模/数转换子程序和数据发送子程序构成。该软件由单片机C语言进行编制，实现了模/数转换通道定时读取，并通过可编程串行接口发送读取结果的功能。信号采集器软件流程图如图3所示。

2.2 数据处理终端软件

数据处理终端软