基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統設計

3 軟件設計
圖4為系統軟件設計流程圖。單片機通過檢測是否按下K1來決定是否發射超聲波。首先發射參考波形，通過計數器計數，以計算實時速度，并存儲。然后再發射超聲波，進行來回時間的計算，以判斷液面高度是否已超出量程范圍。如果超出范圍，則報警并開啟或關閉閥門，否則進行連續10次的調用，并且取平均值。最后通過其他各環節的顯示、存儲或者處理。

4 誤差分析及校準
在測量雨量液位的過程中，會因外界的因素帶來各種誤差，如環境變化帶來的聲速變化、超聲波回波聲強的影響、數據處理時的誤差等。下面就這些問題給出部分解決方案。
4．1 聲速誤差
溫度影響是其中最重要的誤差因素。使用實測溫度法不需要增加如溫度傳感器等硬件，利用在桶內下方安裝的擋板(距離已知)，實測超聲波聲速。測量的雨量液位上方的介質性質相同，故聲速也一樣。參考兩者的返回時間，即可利用單片機測量出雨量液位。該方法的誤差很小，不會因為溫度、濕度、氣壓等給系統帶來誤差。
4．2 過零誤差
回波的聲強與探頭距液位的遠近有關系，實際測量雨量液位時可能不是第一個回波的過零點觸發，這種誤差不能完全消除，但可以根據障礙物的距離調整脈沖群的脈沖個數及調整動態比較電壓來減小誤差。另一方面，將求距離公式后加一個補償計時誤差也可減小該誤差。
4．3 觸發誤差
由于信號在傳輸過程中要經過放大整形等信號處理環節，門控產生“開、關門脈沖”，受噪聲信號的影響，使得觸發時間帶來隨機誤差。觸發信號越平坦，則誤差越小，故采用矩形波脈沖觸發。
4．4 其他誤差
作為液位器考慮到水泡、波浪等狀況的干擾，會造成超聲波的散射現象，通過對單片機的控制進行延遲提高抗干擾能力。另外對于數據誤差等，可以通過提高時鐘頻率和提高超聲波換能器的固有頻率等來減少。超聲波自身也會受到干擾，可以注意印制板走線，注意屏蔽。另外，超聲波傳感器需要通過同軸電纜與電路相連。
此外可以通過軟件方法，如數字均值濾波和相關濾波來抑制隨機噪聲。

5 注意事項
在安裝超聲波傳感器的時候，還應該注意以下幾點：
(1)測量傳感器到底部的距離一定要精確；
(2)為了防止吸收率太高造成的影響可選用量程稍大的換能器；
(3)安裝換能器的位置要與雨水入口有一定的距離，以防干擾超聲波的測量；
(4)換能器到控制電路之間的連接可以使用同軸電纜。

6 結語
該系統具有很高精度，而且節約硬件，能夠實現遠距離控制。與溫度補償相比，該系統利用實時測量的方法，使得測量更為準確、方便。經過分析，誤差滿足設計要求。系統可以在惡劣的天氣條件下提供較高精度的雨量液位測量，適用范圍廣，是未來儀表的發展趨勢。