CN109444993A - 一种基于msp单片机的超声波雨量计及雨量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MSP单片机的超声波雨量计及雨量测量方法，属于水文与气象测量技术领域。包括漏斗、雨量筒、超声波换能器、温度传感器、气压传感器、测量处理器；漏斗设置于雨量筒内的上部；测量处理器设置于雨量筒内的一侧并且位于漏斗的上端与下端之间；测量处理器分别与超声波换能器、温度传感器、气压传感器连接；测量处理器包括微处理器、发射输出电路、接收输入电路、信号处理电路、温度检测电路、气压检测电路。根据多组测量的温度数值、气压数值、实时降雨量，通过补偿算法得出测量雨量关于温度数值、气压数值的关系式，基于关系式计算出雨量。本发明具有对传感器输出信号的温度和气压补偿，减少了测量误差，测得的雨量更准确等优点。

Description

一种基于MSP单片机的超声波雨量计及雨量测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于MSP单片机的超声波雨量计及雨量测量方法，属于水文与气象测量技术领域。

背景技术

雨量计是一种气象监测和水文监测用来测量一段时间内某地区的降水量的仪器。目前常见得有称重式雨量计、虹吸式雨量计和翻斗式雨量计。由于称重式和虹吸式雨量计需要人工进行计量，所以自动化程度低；翻斗式雨量计的翻斗有四种容量，0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm，其中0.1mm容量使用的最多，但也有缺陷，虽然0.1mm的精度比较高，但是降雨量变大之后，翻斗翻转存在滞后和泼洒情况，所以其动态精度不高。目前气象行业使用的高精度雨量计大多是靠进口，国内的雨量计与国外的雨量计精度上存在较大的差距，在高精度雨量测试方面很难达到气象部门规定的要求，靠国外进口又得花费高昂的费用，难以在全国范围内普及。因为超声波换能器穿透本领大，碰到分界面会产生显著反射形成反射回波，具有频率高、博长短、方向性好等优点，运用到雨量检测当中来，可实现精准测量，所以现在有许多利用超声波技术制成的雨量计，由于现阶段的超声波雨量计对超声波速度的补偿仅限于温度，但是对于气压对超声波速度的影响是不予考虑的，若依然使用传统经验得出的超声波速度会导致很大的误差，进而影响雨量的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决现阶段的超声波雨量计对超声波速度的补偿仅限于温度，但是对于气压对超声速度的影响是不予考虑的，会导致实时雨量计量存在误差的基于MSP单片机的超声波雨量计及雨量测量方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种基于MSP单片机的超声波雨量计，其特征在于：包括漏斗、雨量筒、超声波换能器、温度传感器、气压传感器、测量处理器；其中，所述漏斗设置于雨量筒内的上部；所述测量处理器设置于雨量筒内的一侧并且位于漏斗的上端水平面与下端水平面之间；所述测量处理器分别与超声波换能器、温度传感器、气压传感器连接；所述测量处理器包括微处理器、发射输出电路、接收输入电路、信号处理电路、温度检测电路、气压检测电路；其中，微处理器通过发射输出电路激励超声波换能器发射超声波，该超声波垂直传播至雨量筒聚集的雨水表面并被其反射，再被超声波换能器接收并通过信号处理电路转化成电信号，接收输入电路将该电信号输入微处理器；温度检测电路用于读取温度传感器的温度数据，气压检测电路用于读取气压传感器的气压数据，微处理器根据温度数据、气压数据以及超声波电信号计算得出雨量信息。

作为本发明的优选技术方案：所述雨量计还包括溢水管、排水系统；所述溢水管设置于雨量筒的筒壁外侧并且溢水管的上端分别低于超声波换能器的下端、温度传感器的下端、气压传感器的下端；所述排水系统设置于雨量筒的底部，包括控制排水管的开关磁阀、排水管。

作为本发明的优选技术方案：所述漏斗的下端设置挡板。

作为本发明的优选技术方案：所述测量处理器还包括无线收发器，微处理器通过无线收发器和外部上位机通信。

作为本发明的优选技术方案：还包括LCD显示屏，微处理器将雨量计算结果传输至LCD显示屏进行显示。

作为本发明的优选技术方案：所述测量处理器还包括阀门驱动电路，微处理器通过阀门驱动电路驱动开关磁阀工作。

基于MSP单片机的超声波雨量计的雨量测量方法，包括以下步骤：

步骤1、分别读取温度传感器采集的温度数值X、气压传感器采集的气压数值Y；

步骤2、驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式(1)得到测量距离L₁，

L＝C×T (1)

式中，L代表测量距离,C为超声波在空气中的传播速度，T为发射到接收时间数值的一半；

步骤3、在雨量计收集雨水一段时间后，再次驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式(1)得到第二次测量距离L₂；

步骤4、将第二次测量距离L₂减去第一次测量距离L₁，得到实时降雨量Z；

步骤5、重复步骤1-步骤4，根据多组测量的温度数值X、气压数值Y、实时降雨量Z，通过补偿算法得出测量雨量关于实时测量的温度数值X、气压数值Y的关系式:

f(x,y)＝p₀+p₁x+p₂x²+…+p_kx^k+p_k+1y+p_k+2y²+…+p_ny^j (2)

公式(2)中n＝k+j+1，用公式(3)求得各项系数p₀,p₁,…p_n：

公式(3)为利用第i次实时降雨量和预测降雨量的差值的平方，使其最小进行求取公式(2)中的各项系数p₀,p₁,…p_n；

步骤6、根据测量雨量，基于步骤5得到的关系式，通过读取实时测量的温度数值X、气压数值Y后，直接计算得出测量雨量。

本发明所述基于MSP单片机的超声波雨量计及雨量测量方法方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)与其他种类的雨量计相比，超声波雨量计采用的是非接触测量方式，与被测介质隔开，避免了液体的腐蚀和污损，降低了维护成本。

(2)采用超声波发射装置，相对于其他类型的机械式雨量计，不存在所谓的测量时由于器械之间的物理结构造成的机械磨损，稳定性和精确度得到很好的提升。

(3)超声波是在空气中传播的，遇到空气与水之间形成的分界面时，超声波几乎被完全反射，处理方式简单。

(4)进行了对传感器输出信号的温度和气压补偿，减少了测量误差，使测得的降雨量更加准确。

(5)该超声波雨量计具有低功耗模式，能够长期在野外实用。

(6)在漏斗下端设置了一个挡板，让水流能从挡板顺流流入雨量筒，避免了水面的波动从而导致的超声波接收来自倾斜方向的液面反射信号。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为雨量计测量处理器的硬件框图；

图3为本发明的测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示，本发明设计的一种基于MSP单片机的超声波雨量计，包括漏斗、雨量筒、超声波换能器、温度传感器、气压传感器、测量处理器；其中，漏斗设置于雨量筒内的上部；测量处理器设置于雨量筒内的一侧并且位于漏斗的上端水平面与下端水平面之间；测量处理器分别与超声波换能器、温度传感器、气压传感器连接；测量处理器包括微处理器、发射输出电路、接收输入电路、信号处理电路、温度检测电路、气压检测电路；其中，微处理器通过发射输出电路激励超声波换能器发射超声波，该超声波垂直传播至雨量筒聚集的雨水表面并被其反射，再被超声波换能器接收并通过信号处理电路转化成电信号，接收输入电路将该电信号输入微处理器；温度检测电路用于读取温度传感器的温度数据，气压检测电路用于读取气压传感器的气压数据，微处理器根据温度数据、气压数据以及超声波电信号计算得出雨量信息。

雨量计还包括溢水管、排水系统；溢水管设置于雨量筒的筒壁外侧并且溢水管的上端分别低于超声波换能器的下端、温度传感器的下端、气压传感器的下端；排水系统设置于雨量筒的底部，包括控制排水管的开关磁阀、排水管。

漏斗的下端设置挡板，让水流能从挡板顺流流入雨量筒，避免了水面的波动从而导致的超声波接收来自倾斜方向的液面反射信号。雨量计还包括LCD显示屏，微处理器将雨量计算结果传输至LCD显示屏进行显示。测量处理器还包括阀门驱动电路，微处理器通过阀门驱动电路驱动开关磁阀工作。

电源电路向测量处理器提供所需的电源。电源采用常见1wAH的锂电池作为电源，理论上可以工作150天以上，可以放心使用。测量处理器还包括无线收发器，微处理器通过无线收发器和外部上位机通信。无线收发器为nRF24L01型号的单片无线收发器芯片。

超声波换能器为DYA-200-01A型号的超声波换能器，本换能器的工作中心频率为200KHz，工作温度-40℃～+80℃，能适应各类极端气温天气下测量,重量不超过20g，携带更加方便。设置收发探头间距为5cm，超声波发射信号由主控芯片时钟产生，通过外部设计的升压电路升压处理后，驱动发射探头进行信号发射。信号在传送过程中经过了衰减以及能量消耗，因此，接收探头接收的信号十分微弱，由于主控芯片ADC引脚量程在伏特级别，所以接收探头接收到信号后要经通道选择放大、滤波等处理后再通过主控芯片ADC转换接口送给微控制器定时器测量超声波传送时间。

温度传感器为PT100型号的温度传感器，显示精度为0.1℃，配备AD7794芯片进行模数转换，片内自带放大器，写程序来控制信号放大倍数。气压传感器为BMP180型号的气压传感器，具有高精度、小体积、超低能的优点，绝对精度可达0.003hpa，且耗电低。测量处理器还包括无线收发器，微处理器通过无线收发器和外部上位机通信。无线收发器为nRF24L01型号的单片无线收发器芯片。

微处理器采用MSP430F149单片机，搭载超声发射模块、超声接收模块、温度采集模块、电源模块、nRF24L01无线发射模块和LCD显示模块等部分电路组成，实现从数据的采集，到数据的处理再到数据的显示等功能。MSP430F149单片机是一种新型的混合信号处理器，采用德州仪器公司最新低功耗技术，将大量外围模块整合到片内。具有低功耗，12位模数转换，60kFlash ROM和2K RAM容量，双通道串行通信接口等功能。

由于现阶段的超声波雨量计对超声波速度的补偿仅限于温度，但是对于气压对超声速度的影响是不予考虑的，经过一些研究结果表明，现实当中气压对超声波速度有比较大的影响，若依然使用超声波速度的传统经验公式会导致很大的误差，所以引入超声雨量计关于温度和气压的补偿算法。这里通过离散的数据点用函数拟合成一个近似曲面，使得这些点到曲面的误差平方和尽可能小，这个曲面就可以作为这些数据点的近似拟合曲面，构造数学模型，利用温度和气压数据对超声波的速度进行修订。

基于MSP单片机的超声波雨量计的雨量测量方法，包括以下步骤：

步骤1、分别读取温度传感器采集的温度数值X、气压传感器采集的气压数值Y；

步骤2、驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式(1)得到测量距离L₁，

L＝C×T (1)

式中，L代表测量距离,C为超声波在空气中的传播速度，T为发射到接收时间数值的一半；

步骤3、在雨量计收集雨水一段时间后，再次驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式(1)得到第二次测量距离L₂；

步骤4、将第二次测量距离L₂减去第一次测量距离L₁，得到实时降雨量Z；

步骤5、重复步骤1-步骤4，根据多组测量的温度数值X、气压数值Y、实时降雨量Z，通过补偿算法得出测量雨量关于实时测量的温度数值X、气压数值Y的关系式；

f(x,y)＝p₀+p₁x+p₂x²+…+p_kx^k+p_k+1y+p_k+2y²+…+p_ny^j (2)

公式(2)中n＝k+j+1，用公式(3)求得各项系数p₀，p₁，…p_n：

公式(3)为利用第i次实时降雨量和预测降雨量的差值的平方，使其最小进行求取公式(2)中的各项系数p₀，p₁，…p_n；

步骤6、根据测量雨量，基于步骤5得到的关系式，通过读取实时测量的温度数值X、气压数值Y后，直接计算得出测量雨量。

补偿算法如下：

(一)将多组数据表述成：

(二)设定数学模型：

f(x，y)＝p₀+p₁x+p₂x²+…+p_kx^k+p_k+1y+p_k+2y²+…+p_ny^j (2)

模型中n＝k+j+1，用(3)式求得各项系数p₀，p₁，…p_n：

将离散数据带入(2)式后得到待定系数的方程组：

这里f₁，…，f_n均为(p₁，…p_n)的多元函数。将待定的系数看成未知变量，用x代替p，用向量记号记X＝(x₁，…，x_n)^T，F＝(f₁，…，f_n)^T，式(3)可以表述为求解目标函数:

min F(X) (6)

(三)利用共轭梯度算法即从任意点X^(k)出发，顺次沿n个A的共轭方向进行搜索，最多经过n次迭代就可以找到二次函数的极小点X^*。

将二次函数F(X)在X^(k)处Taylor展开：

其中A为离散数据构造成的矩阵。算法的迭代步骤为：

X_k+1＝X_k+α_kd_k (8)

X_k为当前迭代点，d_k为搜索方向，α_k为步长。标准的共轭梯度方向为：

其中并且一维搜索的最优步长α_k满足：

β_k由下式得出：

公式(4)中，X，Y分别为温度、气压数据，Z为真实的雨量数据，公式(2)为利用温度、气压数据进行测量雨量的模型，公式(3)利用真实值和预测值的差值的平方，使其最小进行求取公式(2)中的p系数，公式(2)中包含超声波速度关于温度和气压的补偿关系，公式(2)为测量雨量关于实时测量的温度数值X、气压数值Y的关系式，用C语言的形式编成代码写入MSP430单片机，这样测量处理器读取实际温度数值X、气压数值Y并利用公式(2)求得测量的雨量。

如图3所示，为本发明的测量流程图。降雨时，雨水降至雨量筒内，雨量计测量处理器驱动超声发射探头、温度传感器和气压传感器工作，获取数据，计算得出当前水位，发射探头隔一段时间发射一次，再进行一次测量，通过测量处理获取桶内水位的增加值，获得雨量，输出的数据通过LCD屏显示。如此每隔一段时间发射超声波，进行一次测量，达到实时测量的目的。同时设备底部设有排水管，一段时间测量结束后，使用排水阀门将桶内蓄水排出。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于MSP单片机的超声波雨量计，其特征在于：包括漏斗、雨量筒、超声波换能器、温度传感器、气压传感器、测量处理器；其中，所述漏斗设置于雨量筒内的上部；所述测量处理器设置于雨量筒内的一侧并且位于漏斗的上端水平面与下端水平面之间；所述测量处理器分别与超声波换能器、温度传感器、气压传感器连接；所述测量处理器包括微处理器、发射输出电路、接收输入电路、信号处理电路、温度检测电路、气压检测电路；其中，微处理器通过发射输出电路激励超声波换能器发射超声波，该超声波垂直传播至雨量筒聚集的雨水表面并被其反射，再被超声波换能器接收并通过信号处理电路转化成电信号，接收输入电路将该电信号输入微处理器；温度检测电路用于读取温度传感器的温度数据，气压检测电路用于读取气压传感器的气压数据，微处理器根据温度数据、气压数据以及超声波电信号计算得出雨量信息。

2.根据权利要求1 所述的超声波雨量计，其特征在于：所述雨量计还包括溢水管、排水系统；所述溢水管设置于雨量筒的筒壁外侧并且溢水管的上端分别低于超声波换能器的下端、温度传感器的下端、气压传感器的下端；所述排水系统设置于雨量筒的底部，包括控制排水管的开关磁阀、排水管。

3.根据权利要求1 所述的超声波雨量计，其特征在于：所述漏斗的下端设置挡板。

4.根据权利要求1 所述的超声波雨量计，其特征在于：所述测量处理器还包括无线收发器，微处理器通过无线收发器和外部上位机通信。

5.根据权利要求1所述的超声波雨量计，其特征在于：还包括LCD显示屏，微处理器将雨量计算结果传输至LCD显示屏进行显示。

6.根据权利要求2所述的超声波雨量计，其特征在于：所述测量处理器还包括阀门驱动电路，微处理器通过阀门驱动电路驱动开关磁阀工作。

7.基于权利要求1所述的超声波雨量计的雨量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、分别读取温度传感器采集的温度数值X、气压传感器采集的气压数值Y；

步骤2、驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式（1）得到测量距离L₁，

L=C×T (1)

式中，L代表测量距离,C为超声波在空气中的传播速度，T为发射到接收时间数值的一半；

步骤3、在雨量计收集雨水一段时间后，再次驱动超声波换能器向实时雨水平面发射超声波，根据公式（1）得到第二次测量距离L₂；

步骤4、将第二次测量距离L₂减去第一次测量距离L₁，得到实时降雨量Z；

步骤5、重复步骤1-步骤4，根据多组测量的温度数值X、气压数值Y、实时降雨量Z，通过补偿算法得出测量雨量关于实时测量的温度数值X、气压数值Y的关系式：

(2)

公式（2）中，用公式（3）求得各项系数：

(3)

公式(3)为利用第次实时降雨量和预测降雨量的差值的平方，使其最小进行求取公式(2)中的各项系数；

步骤6、根据测量雨量，基于步骤5得到的关系式，通过读取实时测量的温度数值X、气压数值Y后，直接计算得出测量雨量 。