基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计

2 系统设计
本系统主要由AT89S52单片机、超声波发射和接收电路、进水排水及测量控制电路系统、报警电路及显示电路、上位机通信电路、外围保护电路等环节组成。具有实时测量雨量、存储雨量信息、与上位机通信等功能。系统框图如图2所示。

系统在正常的测量状态下，经过单片机控制进水阀开启。雨水首先经过滤网滤除冰雹等固体物质，进入缓冲桶(防止雨水的溅出及气泡对超声波测量的影响)后，经过细长的玻璃管进入测量桶内。单片机在正常状态下，先发射一个参考波形(频率为40 kHz)，然后经过功放电路后，由T40发射。经过一段时间后再由接收管接收，并经过功放电路。为减小误差，需经过过零调节电路后由单片机读取信号。此后单片机通过计时计算速度，再发送一族波形计算实时的液位高度，通过每秒的高度差，计算雨量大小，并通过本地电路显示，同时通过Modem传送至上位机部分。
如果雨量过大，则蜂鸣器会产生相应的报警信号；如果系统不能工作在正常状态，则单片机通过控制命令，启动开启阀并放大后，使电磁阀工作并排水。
在测量的过程中，将会出现两个距离，一个为挡板距离，另一个为液位高度。通过比较返回时间的先后来确定两者的具体含义。在超声波速度的检测过程中，采用定时测量的方式，时时更新速度。
2．1 发射电路
在气体中的超声波衰减量与距离的平方成正比，且频率越高，衰减越大。根据实际情况，本系统采用40 kHz4阼为发射频率。单片机经过编程产生40 kHz频率后，经过9015信号放大后驱动T40发射电路。发射电路如图3所示。接收探头接收到回波，并经过信号处理环节后，送给单片机。通过单片机的定时器可以测出超声波脉冲发生串发射至接收到回波信号所需的时间。连续发送10次，然后取平均值。

2．2 进水排水及测量控制电路系统
滤网用在冰雹、雨夹雪等特殊的工作环境下，用于防护电路。测量桶上的缓冲桶用于强降雨时因溅出而引起的误差，其要求是雨量的残留量低。超声波探头安装于测量桶顶部，间距100 mm(防止互相干扰)。考虑到超声波有1 ms延时，存在盲区为34 cm，因此挡板与探头的距离确定为350 mm。桶的顶部至顶部上层为500 mm，测量桶上的缓冲桶截面积要大于测量桶，一般取倍。同样为了避免盲区，由单片机控制并进行放大驱动后发送信号驱动开水阀和排水器(通过开启电磁阀)进行相应操作。测量时，当测量筒内的水位低于某值h0或高于某值h1时，进行控制并记录水位之差。
2．3 与上位机的远程通信电路
为了对降雨强度的变化进行分析或测定水位涨落速度超限报警灯，以便远程监测，可用程序设定定时采样，并送出数据，随时比较分析。AT89S52负责从雨量监测现场采集参考速度及雨量信息，并将其存入存储器中，同时负责Modem的初始化工作，并实现通信所必须的拨号、连接、传送、挂断等功能。上位机的软件系统可以采用基于Windows的窗口化程序设计技术，可用Visual C++6．0开发，界面友好，实现方便。对于Modem的控制，使用AT命令来完成。而Modem具有自动呼叫、应答功能。通过发送命令ATDT65126747和应答命令ATZ可以形成通信链路。在收到其传送的数据后，在其界面窗口上实时显示、存储。