基于STM32 可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計

段培法，張 璇，趙 宇，高振翔，王曉彬

（1.徐州市氣象局，江蘇徐州 221000；2.宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800）

隨著氣候變化和城市化進程的不斷發展，由于暴雨導致的城市內澇對城市交通、社會經濟等帶來越來越大的影響。降水量的強弱同樣對農業生產具有重要的影響，降水過多會導致城市內澇、農田漬澇、滑坡、泥石流等自然災害，給農業生產造成巨大的經濟損失，而降水過少則會增加生活用水、農田灌溉用水負擔等［1］。因此，針對雨量的監測，農業、氣象、水利等各部門都極為關注。

氣象部門通過雨量傳感器來監測降水量和降雨強度，目前作為業務使用的有翻斗式雨量傳感器和稱重式雨量傳感器［2，3］。翻斗式雨量傳感器作為降水量的測量儀器，需要具備不易損壞的特點［4］。當傳感器損壞時，需要及時監測雨量傳感器的故障信息，從而進行維護。但由于多數雨量傳感器都分布在野外，不易發現其故障狀態，所以在線監測雨量傳感器的故障狀態信息變得尤其重要。目前，翻斗式雨量傳感器均使用常開式干簧管作為開關元件來采集雨量信息［5，6］，當干簧管及相關測量電路出現斷路故障時，無法及時發現，影響雨量測量。原有的常開式雨量傳感器由于一直處于斷路狀態，即使傳感器或數據線損壞，采集器也無法檢測到，不利于對雨量傳感器的遠程監控。特別是對于遠離臺站的區域氣象站，當出現局部地區有降水時，由于干簧管損壞，此時，值班人員則會認為該區域無降水，傳感器損壞將長時間無法發現、也不容易發現。

通過開發一套可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計，利用故障狀態檢測模塊可以及時監測到翻斗式雨量傳感器工作狀態的好壞，從而實現雨量傳感器在線監測。

1 系統結構

可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計是為了及時獲取雨量傳感器的故障信息，從而達到盡快維修的目的，該設計針對原來的翻斗式雨量傳感器進行改進，其系統結構如圖1 所示，主要涉及干簧管電路的改造以及故障在線監測模塊的開發，既能利用原有的采集模塊進行雨量采集，同時可以對干簧管狀態進行實時監測。

圖1 可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計的系統結構

1.1 干簧管電路改造方案

中國氣象站所使用的翻斗式雨量計的干簧管幾乎都是常開式，未損壞的常開式干簧管在無降水時處于斷開狀態，當有雨量時，干簧管就會吸合一次，雨量計計數一次［7，8］，然而干簧管作為核心部位，如果損壞，則有可能一直處于斷開狀態，此時，即使有降水，采集器采集到的信號仍為0，影響數據的準確性，對于野外及無人值守的氣象站，也不容易被發現［9］。

通過對翻斗式雨量傳感器的核心部件干簧管及供電線路進行改造，將原先常開式干簧管改為常閉式干簧管，并增加輔助電路部件，從而在輸出信號不變的情況下，測量回路始終處于通路，可以對傳感器部件持續檢測。改造后效果等同于原來的常開式雨量傳感器，因此可直接兼容原有的采集器采集雨量數據。

1.2 故障在線監測模塊的設計方案

由于中國目前區域站的數量較多，需要對翻斗式雨量傳感器進行遠程在線故障監測，才更具有研究意義。故障在線監測模塊主要包含故障判識模塊、電源模塊、繼電器控制模塊、LCD 液晶顯示模塊、自動站門開關模塊等。利用氣象站固有的條件，當出現故障后，利用采集器門狀態表示干簧管的狀態，當門開關信號為1 時，表示干簧管正常，當門開關輸出信號為0 時，說明干簧管或信號線路出現了故障。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統原理分析

可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計將干簧管電路進行改造，輸出端在對雨量計數的同時又實現了故障監測，采用常閉式干簧管，同時利用STM32最小系統模塊模擬采集器門開關，并將結果輸入到采集器門開關狀態，從采集器中的門開關狀態就可看出干簧管或信號線的故障狀態信息，從而實現在線監測的功能。

2.2 干簧管電路改造模塊

干簧管改造模塊中采用了單刀雙擲干簧管，即常閉式干簧管和常開式干簧管并聯狀態。利用其中的常閉式干簧管電路進行計數，采用1 MΩ 和1 kΩ電阻進行分壓，在正常狀態時，常閉式干簧管S1 處于閉合狀態，輸出端輸出為高電平，當有計數翻斗翻轉計數時，此時干簧管會由S1 撥到S 狀態，會有一個瞬間低電平供外部計數器計數。當常閉式干簧管損壞時，則會一直處于常開狀態，即S 閉合，則輸出信號會一直處于低電平狀態，即可被外部電路檢測到，從而實現對干簧管自檢測。利用單刀雙擲干簧管中的常開式干簧管S 作為檢測模塊，用來檢測降水計數干簧管的好壞，其結構如圖2 所示。當2 個干簧管的輸出信號不同時，說明干簧管正常，當2 個干簧管的輸出信號相同時，表明翻斗式雨量傳感器的干簧管損壞，如表1 所示。

圖2 可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計干簧管改造電路結構

表1 翻斗式雨量傳感器干簧管工作狀態

2.3 故障在線監測模塊

本設計采用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，主要用于采集翻斗式雨量傳感器的信號及工作狀態，因此只需要最小系統便可完成本設計。最小系統主要包括電源電路、控制芯片、時鐘控制電路、復位電路、JTAG控制口以及與外圍電路相連的接口［10］。利用STM32最小系統判斷兩條干簧管的狀態，繼而驅動繼電器模塊完成故障判斷，同時利用液晶顯示模塊顯示出傳感器的狀態，其實物如圖3所示。

圖3 故障在線監測模塊實物

2.3.1 報警信號電路 為了實現翻斗式雨量傳感器的在線監控，以自動氣象站中BH6 采集器為例，采集器中的門信號機制：門打開時，門開關處于斷路，接到采集器中的2 根線不導通；門關上時，門開關處于短路，接到采集器中的2 根線導通［11，12］。

報警信號電路采用單片機控制5 V 繼電器（型號HSR1H-S-5V）通斷來模擬自動站門的開關狀態，即門開關是否被按壓。繼電器1 腳和3 腳為常開引腳，4 腳和6 腳為常閉引腳，2 腳接單片機控制口，5腳接5 V 電源。干簧管損壞的信號是通過觀測站中采集器的門信號狀態進行報警，通過單片機的一個端口控制繼電器，進而控制采集器的門信號［13，14］。

門正常是關閉的，因此，繼電器1、3 和4、6 輸出引腳中，只需用到4 和6 腳。由于單片機I/O 口輸出電流太小，不能直接驅動繼電器，需要在兩者之間加上驅動電路，為了方便直接選用集成驅動芯片ULN2003（圖4）。

2.3.2 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊是以LCD 液晶屏為核心，然后配合相應的控制電路，從而達到輸出的目的，其硬件連接如圖5 所示。其供電采用5 V電壓供電，引腳3 用來控制液晶顯示的對比度，其中電阻R5 也可用電位器。

圖4 繼電器驅動模塊

圖5 LCD1602 液晶顯示模塊硬件連接

3 程序設計

單片機選用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，程序采用C 語言，開發環境為Keil MDK5。首先初始化I/O 口以及LCD1602 液晶顯示部分，然后把PB14、PB15 2 個I/O 口設置為內部上拉輸入，在While 中判斷兩個I/O 的高低電平，如圖6 所示。在翻斗翻轉狀態時，PB14 為高電平，PB15 為低電平，未翻轉時，PB14 為低電平，PB15 為高電平。程序中用2 個I/O 口輸出電平是否相反來判斷常閉干簧管電路正常與否。

4 系統測試

在徐州國家基本氣象站觀測場外西側安裝已經改造后的翻斗式雨量傳感器，采用光伏電池板進行采集器的供電，檢查設備的可靠性及穩定性，利用CF 存儲卡進行數據存儲，然后統計幾個月的數據情況，與觀測場內翻斗式雨量傳感器觀測數據進行對比觀測，同時設置故障，觀察監測模塊的故障檢測能力。經過多場降水檢驗后，對儀器運行結果進行評估，確保設計出的設備可靠穩定［15］。

改造的雨量計跟觀測場內雨量計南北成行，在試驗前期，經一段時間數據對比，發現數據的差異有時偏差不大，有時偏差較大，經測試，發現此翻斗式雨量傳感器超過誤差范圍，導致計數不精確，用最新的雨量校準儀對改造的雨量計重新進行校準，然后重新投入使用。

圖6 程序流程

統計了2019 年4、5、6 月的在線監測雨量計、原有的翻斗式雨量計和稱重式雨量計3 個裝置的降水對比數據，如表2 所示，其差異較小，均在0.4 mm 以內，滿足業務需求。

5 小結

翻斗式雨量傳感器狀態的可在線監測裝置將原先的常開式干簧管換為常閉式干簧管，同時再增加一條電路，該電路用來檢測干簧管或信號線的狀態，分析2 條電路輸出信號的高低電平，然后利用故障檢測模塊進行故障判斷。當檢測裝置檢測到干簧管或信號線處于損壞狀態時，檢測裝置會觸發繼電器，此時，單片機就會控制一端口輸出一個低電平，從采集器中的門開關狀態就可看出干簧管或信號線的故障狀態信息，國家站可利用值班業務軟件獲取門開關狀態信息、區域站利用后臺監控平臺的門開關狀態信息就能及時發現報警信號，及時獲取雨量計的故障狀態，從而實現在線監測的功能。

該裝置結構簡單，價格低廉，可實現翻斗式雨量傳感器的在線實時監測，解決了目前翻斗式雨量傳感器干簧管損壞無法及時發現的缺點。經過與國家站的數據對比發現，該裝置可及時監測到故障狀態信息，且降水的捕獲率與目前國家站數據高度一致。

表2 可在線監測傳感器狀態的翻斗雨量計與國家站雨量傳感器對比試驗結果 （單位：mm）