基于 AT89S52 單片機(jī)設(shè)計的雨量率定儀

陳杰中，王沙寧

（水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 前言

目前國內(nèi)外用于遠(yuǎn)傳和實時雨情預(yù)報調(diào)度的雨量傳感器當(dāng)中，翻斗式雨量傳感器占主導(dǎo)地位。翻斗式雨量傳感器工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，易于把降雨量轉(zhuǎn)化成電信號輸出，便于遠(yuǎn)距離傳輸，為遠(yuǎn)傳和無線遙測提供了方便。然而由于長期在野外使用，儀器的精度難免會下降，從而影響到雨情測報的精確程度，而拆卸回廠檢定又非常麻煩。這就需要一種可以在野外使用的雨量傳感器檢定設(shè)備，JEX-1 雨量率定儀就是這樣的檢定設(shè)備。

1 率定儀工作原理

翻斗式雨量傳感器主要誤差來自于翻斗的計量誤差，翻斗計量誤差一旦確定，翻斗式雨量傳感器的總誤差也可大致確定。翻斗計量誤差與注入的雨強(qiáng)呈線性關(guān)系，當(dāng)降雨強(qiáng)度大時，計量誤差偏負(fù)，當(dāng)降雨強(qiáng)度小時，計量誤差偏正。由于翻斗式雨量傳感器雨強(qiáng)在 0～4 mm/min，所以一般要做 3 個點雨強(qiáng)的測量精度檢測，其范圍分別在 0.5、1.0、4.0 mm/min 左右。

為保證在率定過程中雨強(qiáng)的恒定，采用自身排水法，利用恒壓設(shè)備控制注入水量的恒定，用溢流方法保持穩(wěn)流桶中水頭壓力恒定，從而獲得基本穩(wěn)定的流速。在規(guī)定的時間內(nèi)滴完，通過電子天平稱重，計算出實際與理論排水量之差，從而判別雨量傳感器的誤差。計算公式：E = ( V- P ) / P×100%。式中：V 為翻斗理論上翻轉(zhuǎn)水量；P 為翻斗實際上翻轉(zhuǎn)水量；E 為翻斗計量誤差，要求≤ ± 4 %。

各種翻斗式雨量傳感器的滴水范圍分別見表1、2、3、4。

表1 JDZ01-1型雨量傳感器滴水范圍

表2 JDZ02-1型雨量傳感器滴水范圍

表3 JDZ05-1型雨量傳感器滴水范圍

表4 DY1090A 型雨量傳感器滴水范圍

率定儀安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 率定儀安裝示意圖

整套儀器由 1 個三角架支撐，先由人工將清水注入儲水桶中，分別將雨量傳感器和電子天平的通訊口與控制器連接。通過調(diào)節(jié)控制閥獲得穩(wěn)定的流量，即可開始率定雨量傳感器。儲水桶中溢流出來的水排到下面的集水罐中，當(dāng)集水罐中的水上升到一定高度時，抽水泵會把水自動抽回儲水桶中。

2 率定儀率定過程

將儀器按圖1 的方式安裝好后，將清水注入儲水桶中，打開儲水桶底部的出水閥門，用手捏滴水管，排去管內(nèi)的氣泡，待管內(nèi)注滿水并排凈全部氣泡后，逆時針方向旋松微控制閥，讓穩(wěn)流滴水裝置內(nèi)的清水通過滴水管注入漏斗，并使翻斗翻轉(zhuǎn) 10 次以上，使待雨量傳感器相關(guān)環(huán)節(jié)充分濕潤，以減少濕潤損失，提高率定的準(zhǔn)確性。

控制器共分 5 個接口：電源開關(guān)、雨量計信號輸入、電子天平通訊口、泵輸入口和充電接口。分別將雨量計信號插頭、電子天平通訊插頭和泵插頭插上，如電池電力不足，插上充電插頭。

電源開關(guān)打開后，屏幕上會顯示分辨率選擇：10、05、02、01，分別代表1.0、0.5、0.2、0.1 mm 分辨率，選擇完分辨率后選擇率定雨強(qiáng)：大、中、小，分別代表：4.0、1.0 和 0.5 mm 雨強(qiáng)。

選擇完雨強(qiáng)之后是模式選擇，儀器有 2 種模式：“測試”和“工作”。測試的作用是：在開始率定前，調(diào)節(jié)排水管排水量。以 JDZ05-1 型雨量計為例，如果設(shè)定中雨強(qiáng)（1.0 mm），600 s 滴完，即每斗時間為 30 s。儀器自動記錄 2 斗信號后的時間，可參考每斗的標(biāo)準(zhǔn)時間通過旋轉(zhuǎn)控制閥調(diào)節(jié)排水量的大小，以達(dá)到相對精準(zhǔn)的雨強(qiáng)。之后便可進(jìn)入“工作”模式開始率定。

在率定時會顯示出翻斗數(shù)和歷時，在率定過程進(jìn)行至一半（即 5 mm）的時候，系統(tǒng)會自動給出現(xiàn)在歷時和標(biāo)準(zhǔn)歷時之間的時間差，以提示是否需要調(diào)節(jié)排水量，以達(dá)到精確滴定的目的。當(dāng)率定到 9 mm 時，蜂鳴器會發(fā)出提示音以提醒工作者，率定結(jié)束后蜂鳴器會長響。控制器通過讀進(jìn)電子天平的重量自動測算出實際雨強(qiáng)和誤差。

3 硬件和軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

率定儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，以 AT89S52 單片機(jī)為核心，實現(xiàn)信號輸入、鍵盤輸入和數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)計算及 RS-232 通信等功能。系統(tǒng)主要由人機(jī)交互、信號輸入、數(shù)據(jù)通信和抽水泵控制等模塊組成。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

人機(jī)交互部分主要由鍵盤電路和液晶顯示電路組成。鍵盤電路采用 4 路獨立式鍵盤設(shè)計，共分為 4 個功能鍵：啟動、移位、確認(rèn)/切換和返回。液晶顯示采用基于 ST7920 驅(qū)動芯片的 4 行中文液晶顯示模塊，直接與單片機(jī)連接。液晶顯示模塊用于人機(jī)交互的信息、參數(shù)及計算結(jié)果的顯示。

由于翻斗式雨量傳感器采用的是干簧管式開關(guān)信號，無法直接作為中斷信號進(jìn)入單片機(jī)，所以需要對其進(jìn)行整形和放大，以增加驅(qū)動能力。儀器引出 2 根線分別接入雨量傳感器，信號經(jīng)過三極管兩級共射放大電路進(jìn)行放大。

數(shù)據(jù)通信模塊用于電子天平與單片機(jī)的通信，以實現(xiàn)把稱重量讀進(jìn)單片機(jī)。該模塊采用 RS-232 接口電路，由單片機(jī) UART 信號經(jīng) MAX202 芯片轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。T1OUT 和 R1IN 腳連接電子天平的通信口，T1IN1 和 R1OUT 分別接到單片機(jī)的 RXD 和 TXD 上。

3.2 軟件設(shè)計

軟件部分采用模塊化編程設(shè)計思想，采用 C 語言編程，開發(fā)環(huán)境是 Keil uVision 2。主要由主程序、信號處理、計時、數(shù)據(jù)通信及控制等 5 個模塊組成。

采用 AT89S52 作為控制核心，它是基于 MCS-51內(nèi)核，帶有 8 k 程序存儲器、256 B 數(shù)據(jù)存儲器、3 個定時器和標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口。

軟件主要由主程序、中斷服務(wù)程序和 RS-232 通信程序、泵控制程序等 4 部分組成。

主程序包括液晶初始化子程序、鍵盤掃描功能的實現(xiàn)、設(shè)置定時器 T0 和 T1 的工作方式和初值，以及初始化中斷系統(tǒng)，主程序流程如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

信號處理和時間控制采用中斷方式實現(xiàn)，其中雨量傳感器的信號送入外部中斷 INT1，時間控制用定時器 T0 實現(xiàn)。中斷服務(wù)程序流程如圖4 所示。

翻斗每翻轉(zhuǎn) 1 次，儀器接收到 1 個下降沿信號，程序跳轉(zhuǎn)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。當(dāng)接收到第一個信號時，打開定時器 T0，開始計時；當(dāng)翻斗翻到預(yù)定值后，關(guān)閉定時器 T0，系統(tǒng)記錄所經(jīng)歷的時間。系統(tǒng)會將這段時間自動換算成分鐘，并將這段時間的排水量自動換算成毫升數(shù)，便可測算出實際的雨強(qiáng)值及誤差。

圖4 中斷服務(wù)程序

抽水泵的自動抽水功能完全采用軟件控制，免去了人工注水的麻煩，提高了智能化水平?；竟δ苁牵寒?dāng)集水罐水位上升到上面探針以上時，水泵開始抽水，水位下降；當(dāng)集水罐水位下降到下面的探針以下時，水泵停止抽水。

4 結(jié)語

基于 AT89S52 單片機(jī)設(shè)計的雨量率定儀自動化程度高，性能穩(wěn)定、可靠性高、數(shù)據(jù)計算精確、操作人性化，具有較高的推廣價值。

目前該率定儀已在三峽梯調(diào)中心投入使用，使用比較方便，JDZ05-1型雨量傳感器率定結(jié)果（部分）如表5 所示，率定結(jié)果表明，該雨量傳感器翻斗計量誤差較小，率定精度較高。

為解決有些雨量站沒有交流電源，充電比較麻煩的問題，對儀器電源部分做了改進(jìn)，增加了 1 路 12 V 直流供電，并配有蓄電池，這樣率定儀的使用場合更廣泛了。

表5 JDZ05-1型雨量傳感器率定結(jié)果（部分）

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