基于STC12C5A60S2單片機的新型雨量測量系統(tǒng)

中北大學信息探測與處理山西省重點實驗室　李　凱　鄭長海

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基于STC12C5A60S2單片機的新型雨量測量系統(tǒng)

中北大學信息探測與處理山西省重點實驗室李凱鄭長海

【摘要】為滿足當前雨量監(jiān)測多樣化的需求，本文通過實驗的方式研究了孔口出流的壓強與流速的關系，建立了數(shù)學模型，設計了一種基于孔口出流原理的暴雨測量系統(tǒng)。本設計的特點是不含翻斗式雨量計的翻轉機械結構，避免了翻轉機械結構造成的測量誤差，并且成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)對雨量信息的自動測量，為雨況測量提供了新的方法。

【關鍵詞】孔口出流；單片機；雨量測量

0　引言

本文針對翻斗式雨量計的缺陷給出了一種暴雨雨量的新方法[1]，該方法是通過對孔口出流流量建立數(shù)學模型，通過液壓傳感器采集雨量接收器中雨量的液壓，送往主控制器單片機STC12C5A60S2做初步的處理后再送往上位機。當液壓超過設定值時，在上位機的控制下開啟閥門，通過液壓與孔口流量的關系，在上位機中統(tǒng)計流量，并計算實時流速和半小時雨況。

1　孔口出流原理介紹

孔口按壁厚分為薄壁孔口和厚壁孔口，按孔徑分為大孔口和小孔口，組合之后有四種類型。

本設計中采用的是薄壁小孔口，以下為薄壁小孔口的特性分析介紹[2][3]。

液體從容器內(nèi)經(jīng)薄壁小孔口出流的情況如圖1所示。

圖1　薄壁小孔口出流

取圖1中的1-1和c-c斷面列伯努利方程，則：

其中：

整理得：

當A1>>Ac，并注意到αc≈1，則得：

式中：流速系數(shù)：

通過孔口的流量為：

2　系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。該單片機內(nèi)部有 10位的AD轉換器，通過控制AD把液壓傳感器采集回來的液壓模擬信號轉換為數(shù)字信號，對采回來的液壓信號進行存儲。與此同時，在單片機內(nèi)部進行初步處理，并把處理的結果通過串口發(fā)送給上位機。上位機根據(jù)液壓與液位高度的關系對發(fā)送回來的數(shù)據(jù)進行計算，得到液位高度，并與液位高度設定值進行比較，以此來判斷打開閥門或者關閉閥門。上位機根據(jù)液壓與流速的關系來統(tǒng)計流量，通過一段時間的流量統(tǒng)計來判斷當前的雨況。

圖2　系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1上位機結構圖如圖3所示

上位機主要包括5部分：系統(tǒng)參數(shù)設置模塊用于設置閥門開關的限定值；數(shù)據(jù)信息采集模塊用于接收單片機傳回來的液壓信號；數(shù)據(jù)信息處理模塊根據(jù)孔口出流原理以及液壓與液位的關系計算流量和液位，同時把處理的結果保存在數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)結果查詢模塊用于查詢某個時間段的流量；閥門手動控制模塊的功能室遠程控制閥門的開關[4]。

圖3　上位機結構圖

3.2軟件設計流程圖

如圖4所示，參數(shù)設置完畢后，根據(jù)定時器的參數(shù)設定，單片機系統(tǒng)每10ms采樣一次，當系統(tǒng)采樣數(shù)值不超過系統(tǒng)參數(shù)設定的電磁閥門開啟值時，等待下一次采樣周期繼續(xù)采樣；當系統(tǒng)采樣值超過系統(tǒng)參數(shù)設定的閥門開啟值時，閥門開啟。當閥門開啟后同樣根據(jù)系統(tǒng)設定每10ms采樣一次，檢測閥門關閉的水位高度，同時根據(jù)閥門開啟的時間與投入式液位變送器的輸出值計算流過電磁閥的流量值，當系統(tǒng)采樣值低于系統(tǒng)參數(shù)設定的閥門關閉的閾值時，閥門關閉，返回。使用者可以根據(jù)實際情況進行操作，包括中斷測量和修改參數(shù)等。在本系統(tǒng)中，參數(shù)既可以進行預先的設置，也可以在測量過程中進行修改，將其存儲在EEPROM中，以便隨時調(diào)用。

圖4　軟件設計流程圖

4　結論

本文針對翻斗式雨量計存在的問題，設計了一種基于孔口出流原理的暴雨雨量測量系統(tǒng)。大量的實驗證明，本系統(tǒng)能夠在任何雨況下不間斷地、準確地自動測量雨量。但該系統(tǒng)的不足之處是長期在室外使用時，雜質(zhì)的沉積會給測量帶來誤差，并且可能會堵塞出水孔。針對此問題，還需要研究相應的改進措施。

參考文獻

[1]楊漢塘.翻斗雨量計動態(tài)計量系統(tǒng)誤差來源及其改善措施[J].水利水文自動化,2001,04:20-25.

[2]范家驊.渾水異重流孔口出流泄沙規(guī)律[J].水利學報,2007,09:1073-1079.

[3]高進.非恒定孔口出流的幾個新公式[J].力學與實踐,1995,06:65-66.

[4]孫選,艾長勝,李國平.基于VB的遠程雨量自動監(jiān)測處理系統(tǒng)[J].濟南(自然科學版),2012,16(2):197-199.

李凱，男，陜西咸陽人，主要從事信號與信息處理方面的研究。

作者簡介：