基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计

3 软件设计
图4为系统软件设计流程图。单片机通过检测是否按下K1来决定是否发射超声波。首先发射参考波形，通过计数器计数，以计算实时速度，并存储。然后再发射超声波，进行来回时间的计算，以判断液面高度是否已超出量程范围。如果超出范围，则报警并开启或关闭阀门，否则进行连续10次的调用，并且取平均值。最后通过其他各环节的显示、存储或者处理。

4 误差分析及校准
在测量雨量液位的过程中，会因外界的因素带来各种误差，如环境变化带来的声速变化、超声波回波声强的影响、数据处理时的误差等。下面就这些问题给出部分解决方案。
4．1 声速误差
温度影响是其中最重要的误差因素。使用实测温度法不需要增加如温度传感器等硬件，利用在桶内下方安装的挡板(距离已知)，实测超声波声速。测量的雨量液位上方的介质性质相同，故声速也一样。参考两者的返回时间，即可利用单片机测量出雨量液位。该方法的误差很小，不会因为温度、湿度、气压等给系统带来误差。
4．2 过零误差
回波的声强与探头距液位的远近有关系，实际测量雨量液位时可能不是第一个回波的过零点触发，这种误差不能完全消除，但可以根据障碍物的距离调整脉冲群的脉冲个数及调整动态比较电压来减小误差。另一方面，将求距离公式后加一个补偿计时误差也可减小该误差。
4．3 触发误差
由于信号在传输过程中要经过放大整形等信号处理环节，门控产生“开、关门脉冲”，受噪声信号的影响，使得触发时间带来随机误差。触发信号越平坦，则误差越小，故采用矩形波脉冲触发。
4．4 其他误差
作为液位器考虑到水泡、波浪等状况的干扰，会造成超声波的散射现象，通过对单片机的控制进行延迟提高抗干扰能力。另外对于数据误差等，可以通过提高时钟频率和提高超声波换能器的固有频率等来减少。超声波自身也会受到干扰，可以注意印制板走线，注意屏蔽。另外，超声波传感器需要通过同轴电缆与电路相连。
此外可以通过软件方法，如数字均值滤波和相关滤波来抑制随机噪声。

5 注意事项
在安装超声波传感器的时候，还应该注意以下几点：
(1)测量传感器到底部的距离一定要精确；
(2)为了防止吸收率太高造成的影响可选用量程稍大的换能器；
(3)安装换能器的位置要与雨水入口有一定的距离，以防干扰超声波的测量；
(4)换能器到控制电路之间的连接可以使用同轴电缆。

6 结语
该系统具有很高精度，而且节约硬件，能够实现远距离控制。与温度补偿相比，该系统利用实时测量的方法，使得测量更为准确、方便。经过分析，误差满足设计要求。系统可以在恶劣的天气条件下提供较高精度的雨量液位测量，适用范围广，是未来仪表的发展趋势。