一種虹吸式傳感器的降水量采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

2014-01-16 11:37 來源:電子信息網(wǎng) 作者:蒲公英

0 引言

降水量是衡量一個地區(qū)降水多少的數(shù)據(jù)。它是指從天空降落到地面上的液態(tài)和固態(tài)(經(jīng)融化后)降水,沒有經(jīng)過蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度,單位是毫米。

氣象學(xué)中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量,6 h中降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為6 h降水量;24 h 降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為24 h 降水量;……一年中,降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水,稱為“年降水量”.單位時間的降水量稱為降水強(qiáng)度,常用mm/h或mm/min為單位。單位時間的雨量稱為雨強(qiáng)。

降水量資料提供了關(guān)于水分資源的依據(jù),是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)研究各部門,特別是農(nóng)業(yè)、水利部門不可缺少的資料。其觀測方法有人工觀測和儀器自動記錄兩種。本設(shè)計實現(xiàn)了降水量的自動采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能,因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守的特點,可應(yīng)用于各種氣象觀測站。

1 硬件設(shè)計

1.1 方案設(shè)計的原理框圖

降水量采集系統(tǒng)由降水量傳感器、信號采集器和作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機(jī)三部分組成。其組成與原理框圖如圖1所示。


1

1.2 降水量傳感器

常用的降水量傳感器有翻斗式和虹吸式兩種。本設(shè)計采用的是R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的50202型虹吸式傳感器,該傳感器無活動部件,敏感器件為電容傳感器。傳感器的測量腔體和采集漏斗外部均有保溫和加熱裝置,用于融冰或化雪。雨或雪通過采集漏斗進(jìn)入測量腔體。測量范圍為0~50 mm,測量精度為±1 mm,輸出信號為0~5.00 V DC,對應(yīng)0~50 mm的液位高度。

進(jìn)行觀測時,降水通過傳感器的采集漏斗進(jìn)入測量腔體,使測量腔體內(nèi)的液位高度發(fā)生變化,液位高度的變化值即為觀測時段的降水量。當(dāng)傳感器的液位高度達(dá)到50 mm 時,傳感器自動產(chǎn)生虹吸,虹吸時間為30 s左右,虹吸后,傳感器的液位高度回到零。

1.3 信號采集器

信號采集器由電源模塊和數(shù)據(jù)采集板組成。電源模塊為降水量傳感器和數(shù)據(jù)采集板提供工作電源,數(shù)據(jù)采集板采集測量降水量傳感器的0~5.00 V DC 輸出模擬量信號,并將模擬信號轉(zhuǎn)換為液位高數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

數(shù)據(jù)采集板原理圖如圖2所示。


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數(shù)據(jù)采集板由中央處理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和RS 232 通信接口電路組成。中央處理器采用AVR系列單片機(jī),該系列單片機(jī)具有高性能、低功耗的特點,處理器本身集成了10 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程串行通信接口,這使得數(shù)據(jù)采集板的外圍電路更為簡單。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中采用的AD623 是一個集成單電源儀表放大器,它能在單電源(+3~+12 V)下提供滿電源幅度的輸出,AD623允許使用單個增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程,以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下,AD623被設(shè)置為單位增益;外接電阻后,AD623可編程設(shè)置增益,其增益最高可達(dá)1 000倍 .AD623放大器對降水量傳感器輸出的0~5.00 V DC信號進(jìn)行預(yù)處理,處理后接入中央處理器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道,對信號進(jìn)行讀取。RS 232通信接口電路采用了MAX232芯片,這是一款兼容RS 232標(biāo)準(zhǔn)的芯片,由于電腦串口RS 232的電平是-10~+10 V,而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平(0~+5 V),MAX232 就是用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的。

CPU 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道讀取到的液位高值再通過RS 232通信接口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

1.4 數(shù)據(jù)處理終端

數(shù)據(jù)處理終端為安裝有專用觀測軟件的PC機(jī)。專用觀測軟件用來自動統(tǒng)計計算和存儲各時段(分鐘、小時、天、月和年)降水量。作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機(jī)通過串行接口與信號采集器連接,自動接收來自信號采集器的液位高數(shù)據(jù)。

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傳感器 降水量傳感器

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