一種虹吸式傳感器的降水量采集系統的設計方案

降水量是衡量一個地區降水多少的數據。它是指從天空降落到地面上的液態和固態(經融化后)降水，沒有經過蒸發、滲透和流失而在水平面上積聚的深度，單位是毫米。

氣象學中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量，6 h中降下來的雨雪統統融化為水，稱為6 h降水量;24 h 降下來的雨雪統統融化為水，稱為24 h 降水量;……一年中，降下來的雨雪統統融化為水，稱為“年降水量”.單位時間的降水量稱為降水強度，常用mm/h或mm/min為單位。單位時間的雨量稱為雨強。

降水量資料提供了關于水分資源的依據，是國民經濟建設、科學研究各部門，特別是農業、水利部門不可缺少的資料。其觀測方法有人工觀測和儀器自動記錄兩種。本設計實現了降水量的自動采集和數據統計功能，因其具備低功耗、高穩定性、高精度、可無人值守的特點，可應用于各種氣象觀測站。

1 硬件設計

1.1 方案設計的原理框圖

降水量采集系統由降水量傳感器、信號采集器和作為數據處理終端的計算機三部分組成。其組成與原理框圖如圖1所示。

1.2 降水量傳感器

常用的降水量傳感器有翻斗式和虹吸式兩種。本設計采用的是R.M.YOUNG公司生產的50202型虹吸式傳感器，該傳感器無活動部件，敏感器件為電容傳感器。傳感器的測量腔體和采集漏斗外部均有保溫和加熱裝置，用于融冰或化雪。雨或雪通過采集漏斗進入測量腔體。測量范圍為0~50 mm,測量精度為±1 mm,輸出信號為0~5.00 V DC,對應0~50 mm的液位高度。

進行觀測時，降水通過傳感器的采集漏斗進入測量腔體，使測量腔體內的液位高度發生變化，液位高度的變化值即為觀測時段的降水量。當傳感器的液位高度達到50 mm 時，傳感器自動產生虹吸，虹吸時間為30 s左右，虹吸后，傳感器的液位高度回到零。

1.3 信號采集器

信號采集器由電源模塊和數據采集板組成。電源模塊為降水量傳感器和數據采集板提供工作電源，數據采集板采集測量降水量傳感器的0~5.00 V DC 輸出模擬量信號，并將模擬信號轉換為液位高數字信號發送給數據處理終端。

數據采集板原理圖如圖2所示。

數據采集板由中央處理器、模/數轉換電路和RS 232 通信接口電路組成。中央處理器采用AVR系列單片機，該系列單片機具有高性能、低功耗的特點，處理器本身集成了10 位模/數轉換器和可編程串行通信接口，這使得數據采集板的外圍電路更為簡單。模/數轉換電路中采用的AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3~+12 V)下提供滿電源幅度的輸出，AD623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下，AD623被設置為單位增益;外接電阻后，AD623可編程設置增益，其增益最高可達1 000倍 .AD623放大器對降水量傳感器輸出的0~5.00 V DC信號進行預處理，處理后接入中央處理器的模/數轉換通道，對信號進行讀取。RS 232通信接口電路采用了MAX232芯片，這是一款兼容RS 232標準的芯片，由于電腦串口RS 232的電平是-10~+10 V,而單片機應用系統的信號電壓是TTL電平(0~+5 V)，MAX232 就是用來進行電平轉換的。

CPU 通過模/數轉換通道讀取到的液位高值再通過RS 232通信接口發送給數據處理終端。

1.4 數據處理終端

數據處理終端為安裝有專用觀測軟件的PC機。專用觀測軟件用來自動統計計算和存儲各時段(分鐘、小時、天、月和年)降水量。作為數據處理終端的計算機通過串行接口與信號采集器連接，自動接收來自信號采集器的液位高數據。

2 軟件設計

2.1 信號采集器軟件

信號采集器軟件由定時器子程序、模/數轉換子程序和數據發送子程序構成。該軟件由單片機C語言進行編制，實現了模/數轉換通道定時讀取，并通過可編程串行接口發送讀取結果的功能。信號采集器軟件流程圖如圖3所示。

2.2 數據處理終端軟件

數據處理終端軟