CN108181448A - 一种人工模拟降雨系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水土保持模拟实验装置技术领域，特别涉及一种人工模拟降雨系统。其包括降雨机、有线控制器和无线控制器；所述降雨机包括WIFI转串口模块、第二单片机、驱动器和降雨机本体，所述WIFI转串口模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述降雨机本体连接；所述有线控制器通过所述通信电缆与所述第二单片机连接；所述无线控制器与所述WIFI转串口模块通过无线网络连接。本发明的目的在于提供一种人工模拟降雨系统，以解决现有人工模拟降雨系统控制性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水土保持模拟实验装置技术领域，特别涉及一种人工模拟降雨系统。
背景技术
在土壤侵蚀过程、水土流失规律、水土保持措施效益分析与评价和建立土壤侵蚀预报模型等研究中，仅依靠天然降雨收集相关数据具有很大局限性。天然降雨条件下的野外观测周期长，成本高，累积数据慢，尤其在在降雨少的地区严重影响数据的实用性。有效地使用人工模拟降雨来进行降雨试验，不受时间和空间的限制来模拟天然降雨，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复试验，缩短试验研究周期，可以在短时间内获得大量土壤侵蚀相关数据。人工模拟降雨已成为土壤侵蚀相关研究中室内与野外实验的重要技术手段。
人工模拟降雨系统用来模拟天然降雨，代替天然降雨进行相关科学研究，要求模拟的降雨特性应与天然降雨特性一致。即模拟降雨机的落地雨滴速度与天然雨滴的终点速度接近，降雨动能与天然降雨吻合，雨滴大小组合与天然降雨一致，模拟降雨的雨强要有较大的变化范围，且可以模拟天然降雨过程的变化。根据土壤侵蚀研究相关实验要求人工模拟降雨系统降雨均匀性、稳定性和可重复性要好。人工模拟降雨系统可能用于室内或野外等不同条件，为了应用于所有相关研究实验，要求操作方便、耐用、便于运输、拆卸和安装。
从20世纪50年代开始，不同类型的模拟降雨装置不断被研制出来，主要采用的类型有针管桁架式、下喷式和侧喷式等。针管桁架式的降雨机其模拟降雨的雨滴动能达不到天然降雨的终点速度，导致其雨滴动能与天然降雨不符，该降雨机在面源污染等对降雨动能要求不大的研究实验中方可使用。侧喷式的降雨机的单个喷头的雨滴分布比较好，但该设备比较费水，防风要求高，多个降雨机组合条件下为了得到比较均匀的降雨分布很困难，调试比较麻烦，在野外使用该降雨机存在很大的局限性。目前国内的下喷式降雨机模拟的降雨雨强相对稳定且降雨的均匀性好；能够模拟分段雨强，但模拟天然降雨过程方面还存在雨强变幅不够、控制性差等局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工模拟降雨系统，以解决现有人工模拟降雨系统控制性差的问题。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
一种人工模拟降雨系统，其包括降雨机、有线控制器和无线控制器；所述降雨机包括WIFI转串口模块、第二单片机、驱动器和降雨机本体，所述WIFI转串口模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述降雨机本体连接；所述有线控制器通过所述通信电缆与所述第二单片机连接；所述无线控制器与所述WIFI转串口模块通过无线网络连接。
进一步的，所述降雨机本体包括进水口、水箱、水泵、供水管、降雨窗口、喷头、连接水管、喷头摆臂、旋转接头、连杆、电磁离合器、从动轴支架、从动轴、从动轴摆臂、电机、主动轮、从动轮、主动轴、主动轴支架、阀门、水压表；所述电机驱动所述主动轮，所述主动轮驱动所述从动轮；所述主动轴安装在所述从动轮上，所述主动轴、所述从动轴通过所述电磁离合器连接；所述主动轴支架和所述从动轴支架安装在所述水箱上；所述主动轴安装在所述主动轴支架上，所述从动轴安装在所述从动轴支架上；所述从动轴摆臂安装在所述从动轴上；所述连杆一端连接所述从动轴摆臂，所述连杆另一端连接所述旋转接头；所述喷头摆臂安装在所述旋转接头上，所述连接水管安装在所述喷头摆臂上，所述喷头安装在所述连接水管上，所述供水管安装在所述旋转接头上，并一端与所述连接水管连通，另一端与所述水箱连通；所述供水管上依次设有所述水泵、所述阀门、所述水压表；所述水箱上设有所述进水口，所述喷头下方的所述水箱壁上设有所述降雨窗口；所述水泵、所述电机、所述电磁离合器分别与所述驱动器连接。
进一步的，所述主动轮与所述从动轮通过传动链条连接；所述从动轴摆臂与所述连杆通过连接销连接。
进一步的，所述无线控制器包括计算机和WIFI热点模块，所述计算机与所述WIFI热点模块连接。
进一步的，所述无线控制器为带有WIFI虚拟热点的计算机。
进一步的，所述有线控制器包括键盘、第一单片机和显示器；所述键盘、所述显示器分别与所述第一单片机连接；所述键盘包括电机开关、水泵开关、雨量增加开关和雨量减小开关。
进一步的，所述降雨机有两台以上，两台以上所述降雨机通过所述通信电缆串联。
进一步的，所述通信电缆为RS-485型通信电缆。
进一步的，所述降雨机数量不多于32台。
进一步的，所述驱动器为固态继电器。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明所述一种人工模拟降雨系统，其包括降雨机、有线控制器和无线控制器；所述降雨机包括WIFI转串口模块、第二单片机、驱动器和降雨机本体，所述WIFI转串口模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述降雨机本体连接；所述有线控制器通过所述通信电缆与所述第二单片机连接；所述无线控制器与所述WIFI转串口模块通过无线网络连接；本发明使用了数字通信技术，采用通信电缆传输控制信号，具有良好的抗噪声干扰性，通信控制可靠性高，同时减少了设备量和电缆量，消除了强电的传输；实现控制的稳定性、便携性、可靠性和易用性；本发明实现有线控制和无线控制的融合，同时兼顾了稳定性和便携性、可靠性和易用性。
附图说明
图1为本发明电气连接图；
图2为本发明降雨机本体结构图(俯视图)；
图3为本发明降雨机本体结构图(主视图)；
其中：1-进水口、2-水箱、3-水泵、4-供水管、5-降雨窗口、6-喷头、7-连接水管、8-喷头摆臂、9-旋转接头、10-连杆、11-电磁离合器、12-从动轴支架、13-从动轴、14-从动轴摆臂、15-连接销、16-电机、17-主动轮、18-动链条、19-从动轮、20-主动轴、21-主动轴支架、22-阀门、23-水压表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1，一种人工模拟降雨系统，其包括降雨机、有线控制器和无线控制器；所述降雨机包括WIFI转串口模块、第二单片机、驱动器和降雨机本体，所述WIFI转串口模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述降雨机本体连接；所述有线控制器通过所述通信电缆与所述第二单片机连接；所述无线控制器与所述WIFI转串口模块通过无线网络连接；本发明使用了数字通信技术，采用通信电缆传输控制信号，具有良好的抗噪声干扰性，通信控制可靠性高，同时减少了设备量和电缆量，消除了强电的传输；实现控制的稳定性、便携性、可靠性和易用性；本发明实现有线控制和无线控制的融合，同时兼顾了稳定性和便携性、可靠性和易用性。
参见图1、图2，本发明所述降雨机本体包括进水口1、水箱2、水泵3、供水管4、降雨窗口5、喷头6、连接水管7、喷头摆臂8、旋转接头9、连杆10、电磁离合器11、从动轴支架12、从动轴13、从动轴摆臂14、电机16、主动轮17、从动轮19、主动轴20、主动轴支架21、阀门22、水压表23；电机16驱动主动轮17，主动轮17驱动从动轮19；主动轴20安装在从动轮19上，主动轴20、从动轴13通过电磁离合器11连接；主动轴支架21和从动轴支架12安装在水箱2上；主动轴20安装在主动轴支架21上，从动轴13安装在从动轴支架12上；从动轴摆臂14安装在从动轴13上；连杆10一端连接从动轴摆臂14，连杆10另一端连接旋转接头9；喷头摆臂8安装在旋转接头9上，连接水管7安装在喷头摆臂8上，喷头6安装在连接水管7上，供水管4安装在旋转接头9上，并一端与连接水管7连通，另一端与水箱2连通；供水管4上依次设有水泵3、阀门22、水压表23；水箱2上设有进水口1，喷头6下方的水箱2壁上设有降雨窗口5；水泵3、电机16、电磁离合器11分别与所述驱动器连接；降雨机本体主要功能是驱动喷头6周期摆动，模拟降雨过程；电机16带动主动轴20连续转动，从动轴13通过电磁离合器11和主动轴20相连，从动轴13带动从动轴摆臂14和连杆10使喷头6摆动；电磁离合器11的圆周上平均分布两个分离点，电磁离合器11每旋转半周可分离一次，在电磁离合器11分离状态下，从动轴13停止转动，喷头6喷出的雨柱停留在降雨窗口5的外边，此时无雨水降落；在电磁离合器11结合时，从动轴13转动，喷头6摆动，在经过降雨窗口5时，喷头6喷出的雨柱通过降雨窗口5喷洒出去，形成降雨；通过控制电磁离合器11分离时间，改变喷头6的摆动周期，从而改变降雨量；同时，水箱2由进水口1进水装满，水泵3抽出进行加压，达到或超过预定压力，由水压表23检查水压，可使用阀门22调整水压达到预定值。
参见图2，本发明主动轮17与从动轮19通过传动链条18连接；从动轴摆臂14与连杆10通过连接销15连接；本发明选择的连接方式组装、拆卸方便，同时链传动与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。
参见图1，本发明所述无线控制器包括计算机和WIFI热点模块，所述计算机与所述WIFI热点模块连接；计算机中可以安装人工模拟降雨无线控系统控制软件，计算机便于操作生成指令，且计算机具备显示功能；该计算机和WIFI热点模块为已知装置。
参见图1，本发明所述无线控制器为带有WIFI虚拟热点的计算机；计算机中可以安装人工模拟降雨无线控系统控制软件，计算机便于操作生成指令，且计算机具备显示功能；该计算机为已知装置。
参见图1，本发明所述有线控制器包括键盘、第一单片机和显示器；所述键盘、所述显示器分别与所述第一单片机连接；本发明用户通过有线控制器的键盘发出指令，经第一单片机译码后生成数据帧，数据帧通过通信电缆发送出去；显示器可以显示降雨历时和降雨雨强；本发明所述键盘包括电机开关、水泵开关、雨量增加开关和雨量减小开关；用于发布电机开闭、水泵开闭、雨量增加和雨量减小指令。
参见图1，本发明所述降雨机有两台以上，两台以上所述降雨机通过所述通信电缆串联；降雨机设备过大，会造成降雨机安装不便，且因管道阻力的作用，造成降雨不均匀，单台降雨机的降雨范围有限，多台降雨机按要求自由组合，满足不同的降雨范围要求，降雨机串联连接，便于达到降雨机控制的同步。
参见图1，本发明所述通信电缆为RS-485型通信电缆；RS-485是单主从结构，就是一个总线上只能有一台主机，通信都由它发起的，它没有下命令，下面的节点不能发送，而且要发完即答，受到答复后，主机才向下一个节点询问，可以防止多个节点向总线发送数据，而造成数据错乱，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。
参见图1，本发明所述降雨机数量不多于32台；RS-485的“节点数”主要是依“接收器输入阻抗”而定；根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为≥12KΩ，相应的标准驱动节点数为32个。
参见图1，本发明所述驱动器为固态继电器；固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。
本发明具体工作过程：
系统加电后，有线控制器进行自检，对降雨机进行轮询，获得系统内降雨机的ID和配置数量，自检结束后，有线控制器进入降雨控制程序；或者无线控制器中的计算机中的人工模拟降雨无线控系统控制软件启动，经过一段时间，降雨机将连接人工模拟降雨无线控系统控制软件。
第一单片机定时对键盘进行扫描查询，并延时消除按键抖动，获得按键信息，生成相应的控制数据帧，该数据帧通过第一单片机的串口发送出去，经过通信电缆，控制各个降雨机；降雨机的第二单片机收到该数据帧，首先判断ID是否和本机一致，如一致，将对数据帧进行解析，分离出控制指令，通过第二单片机控制驱动器的开关状态，进而控制电机、水泵、电磁离合器的启停；或者无线控制器操作生成指令集并发出；降雨机的WIFI转串口模块接收到通信数据后，转发至单片机，单片机将通信数据译码后，控制驱动器的开关状态，进而控制电机、水泵、电磁离合器的启停。
降雨机本体主要功能是驱动喷头6周期摆动，模拟降雨过程；电机16带动主动轴20连续转动，从动轴13通过电磁离合器11和主动轴20相连，从动轴13带动从动轴摆臂14和连杆10使喷头6摆动；电磁离合器11的圆周上平均分布两个分离点，电磁离合器11每旋转半周可分离一次，在电磁离合器11分离状态下，从动轴13停止转动，喷头6喷出的雨柱停留在降雨窗口5的外边，此时无雨水降落；在电磁离合器11结合时，从动轴13转动，喷头6摆动，在经过降雨窗口5时，喷头6喷出的雨柱通过降雨窗口5喷洒出去，形成降雨；通过控制电磁离合器11分离时间，改变喷头6的摆动周期，从而改变降雨量。
同时，水箱2由进水口1进水装满，水泵3抽出进行加压，达到或超过预定压力，由水压表23检查水压，可使用阀门22调整水压达到预定值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种人工模拟降雨系统，其特征在于：包括降雨机、有线控制器和无线控制器；所述降雨机包括WIFI转串口模块、第二单片机、驱动器和降雨机本体，所述WIFI转串口模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述降雨机本体连接；所述有线控制器通过所述通信电缆与所述第二单片机连接；所述无线控制器与所述WIFI转串口模块通过无线网络连接。
2.根据权利要求1所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述降雨机本体包括进水口、水箱、水泵、供水管、降雨窗口、喷头、连接水管、喷头摆臂、旋转接头、连杆、电磁离合器、从动轴支架、从动轴、从动轴摆臂、电机、主动轮、从动轮、主动轴、主动轴支架、阀门、水压表；所述电机驱动所述主动轮，所述主动轮驱动所述从动轮；所述主动轴安装在所述从动轮上，所述主动轴、所述从动轴通过所述电磁离合器连接；所述主动轴支架和所述从动轴支架安装在所述水箱上；所述主动轴安装在所述主动轴支架上，所述从动轴安装在所述从动轴支架上；所述从动轴摆臂安装在所述从动轴上；所述连杆一端连接所述从动轴摆臂，所述连杆另一端连接所述旋转接头；所述喷头摆臂安装在所述旋转接头上，所述连接水管安装在所述喷头摆臂上，所述喷头安装在所述连接水管上，所述供水管安装在所述旋转接头上，并一端与所述连接水管连通，另一端与所述水箱连通；所述供水管上依次设有所述水泵、所述阀门、所述水压表；所述水箱上设有所述进水口，所述喷头下方的所述水箱壁上设有所述降雨窗口；所述水泵、所述电机、所述电磁离合器分别与所述驱动器连接。
3.根据权利要求2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述主动轮与所述从动轮通过传动链条连接；所述从动轴摆臂与所述连杆通过连接销连接。
4.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述无线控制器包括计算机和WIFI热点模块，所述计算机与所述WIFI热点模块连接。
5.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述无线控制器为带有WIFI虚拟热点的计算机。
6.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述有线控制器包括键盘、第一单片机和显示器；所述键盘、所述显示器分别与所述第一单片机连接；所述键盘包括电机开关、水泵开关、雨量增加开关和雨量减小开关。
7.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述降雨机有两台以上，两台以上所述降雨机通过所述通信电缆串联。
8.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述通信电缆为RS-485型通信电缆。
9.根据权利要求8所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述降雨机数量不多于32台。
10.根据权利要求1或2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于：所述驱动器为固态继电器。
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