基于STC12C5A60S2單片機(jī)的新型雨量測(cè)量系統(tǒng)

中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　李　凱　鄭長(zhǎng)海

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基于STC12C5A60S2單片機(jī)的新型雨量測(cè)量系統(tǒng)

中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李凱鄭長(zhǎng)海

【摘要】為滿足當(dāng)前雨量監(jiān)測(cè)多樣化的需求，本文通過實(shí)驗(yàn)的方式研究了孔口出流的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，建立了數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種基于孔口出流原理的暴雨測(cè)量系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是不含翻斗式雨量計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免了翻轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的測(cè)量誤差，并且成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雨量信息的自動(dòng)測(cè)量，為雨況測(cè)量提供了新的方法。

【關(guān)鍵詞】孔口出流；單片機(jī)；雨量測(cè)量

0　引言

本文針對(duì)翻斗式雨量計(jì)的缺陷給出了一種暴雨雨量的新方法[1]，該方法是通過對(duì)孔口出流流量建立數(shù)學(xué)模型，通過液壓傳感器采集雨量接收器中雨量的液壓，送往主控制器單片機(jī)STC12C5A60S2做初步的處理后再送往上位機(jī)。當(dāng)液壓超過設(shè)定值時(shí)，在上位機(jī)的控制下開啟閥門，通過液壓與孔口流量的關(guān)系，在上位機(jī)中統(tǒng)計(jì)流量，并計(jì)算實(shí)時(shí)流速和半小時(shí)雨況。

1　孔口出流原理介紹

孔口按壁厚分為薄壁孔口和厚壁孔口，按孔徑分為大孔口和小孔口，組合之后有四種類型。

本設(shè)計(jì)中采用的是薄壁小孔口，以下為薄壁小孔口的特性分析介紹[2][3]。

液體從容器內(nèi)經(jīng)薄壁小孔口出流的情況如圖1所示。

圖1　薄壁小孔口出流

取圖1中的1-1和c-c斷面列伯努利方程，則：

其中：

整理得：

當(dāng)A1>>Ac，并注意到αc≈1，則得：

式中：流速系數(shù)：

通過孔口的流量為：

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)內(nèi)部有 10位的AD轉(zhuǎn)換器，通過控制AD把液壓傳感器采集回來的液壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)采回來的液壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。與此同時(shí)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初步處理，并把處理的結(jié)果通過串口發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)液壓與液位高度的關(guān)系對(duì)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到液位高度，并與液位高度設(shè)定值進(jìn)行比較，以此來判斷打開閥門或者關(guān)閉閥門。上位機(jī)根據(jù)液壓與流速的關(guān)系來統(tǒng)計(jì)流量，通過一段時(shí)間的流量統(tǒng)計(jì)來判斷當(dāng)前的雨況。

圖2　系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示

上位機(jī)主要包括5部分：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置閥門開關(guān)的限定值；數(shù)據(jù)信息采集模塊用于接收單片機(jī)傳回來的液壓信號(hào)；數(shù)據(jù)信息處理模塊根據(jù)孔口出流原理以及液壓與液位的關(guān)系計(jì)算流量和液位，同時(shí)把處理的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)據(jù)結(jié)果查詢模塊用于查詢某個(gè)時(shí)間段的流量；閥門手動(dòng)控制模塊的功能室遠(yuǎn)程控制閥門的開關(guān)[4]。

圖3　上位機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2軟件設(shè)計(jì)流程圖

如圖4所示，參數(shù)設(shè)置完畢后，根據(jù)定時(shí)器的參數(shù)設(shè)定，單片機(jī)系統(tǒng)每10ms采樣一次，當(dāng)系統(tǒng)采樣數(shù)值不超過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的電磁閥門開啟值時(shí)，等待下一次采樣周期繼續(xù)采樣；當(dāng)系統(tǒng)采樣值超過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的閥門開啟值時(shí)，閥門開啟。當(dāng)閥門開啟后同樣根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定每10ms采樣一次，檢測(cè)閥門關(guān)閉的水位高度，同時(shí)根據(jù)閥門開啟的時(shí)間與投入式液位變送器的輸出值計(jì)算流過電磁閥的流量值，當(dāng)系統(tǒng)采樣值低于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的閥門關(guān)閉的閾值時(shí)，閥門關(guān)閉，返回。使用者可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作，包括中斷測(cè)量和修改參數(shù)等。在本系統(tǒng)中，參數(shù)既可以進(jìn)行預(yù)先的設(shè)置，也可以在測(cè)量過程中進(jìn)行修改，將其存儲(chǔ)在EEPROM中，以便隨時(shí)調(diào)用。

圖4　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　結(jié)論

本文針對(duì)翻斗式雨量計(jì)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于孔口出流原理的暴雨雨量測(cè)量系統(tǒng)。大量的實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能夠在任何雨況下不間斷地、準(zhǔn)確地自動(dòng)測(cè)量雨量。但該系統(tǒng)的不足之處是長(zhǎng)期在室外使用時(shí)，雜質(zhì)的沉積會(huì)給測(cè)量帶來誤差，并且可能會(huì)堵塞出水孔。針對(duì)此問題，還需要研究相應(yīng)的改進(jìn)措施。

參考文獻(xiàn)

[1]楊漢塘.翻斗雨量計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)誤差來源及其改善措施[J].水利水文自動(dòng)化,2001,04:20-25.

[2]范家驊.渾水異重流孔口出流泄沙規(guī)律[J].水利學(xué)報(bào),2007,09:1073-1079.

[3]高進(jìn).非恒定孔口出流的幾個(gè)新公式[J].力學(xué)與實(shí)踐,1995,06:65-66.

[4]孫選,艾長(zhǎng)勝,李國(guó)平.基于VB的遠(yuǎn)程雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)[J].濟(jì)南(自然科學(xué)版),2012,16(2):197-199.

李凱，男，陜西咸陽(yáng)人，主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究。

作者簡(jiǎn)介：