基于Arduino 的智能雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

吳金玲

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與要求

本雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)上主要包括用戶輸入部分、雨量控制（模擬）部分、實(shí)時(shí)顯示部分及故障檢測(cè)部分等，主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

用戶可以通過(guò)鍵盤輸入所需要的雨量模擬值，液位檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)雨量模擬儲(chǔ)存箱的液位信息，當(dāng)雨量模擬儲(chǔ)存箱的液位低于最低設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)給出相應(yīng)的控制信號(hào)，報(bào)警模塊啟動(dòng)報(bào)警，并在上位機(jī)的顯示頁(yè)面上顯示相關(guān)信息以便提醒用戶及時(shí)加水；當(dāng)液位高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)保存當(dāng)前液位信息。首先單片機(jī)接收到用戶的輸入值后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理；然后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，在驅(qū)動(dòng)電路的作用下，步進(jìn)電機(jī)將帶動(dòng)水閥的開(kāi)與合，實(shí)現(xiàn)雨量模擬，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；最后給出校驗(yàn)結(jié)果，即是否合格。

當(dāng)用戶輸入設(shè)定的雨量模擬值后，Arduino 單片機(jī)通過(guò)設(shè)定的算法給出校正數(shù)字量和相應(yīng)的閥門開(kāi)度、放水時(shí)間以及液位下降目標(biāo)值，繼而輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)打開(kāi)閥門，當(dāng)達(dá)到放水時(shí)間時(shí)，單片機(jī)立刻給出控制信號(hào)，隨即電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行將閥門關(guān)閉。系統(tǒng)對(duì)水閥的開(kāi)合程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)會(huì)給出相應(yīng)的提示與處理。在閥門打開(kāi)并進(jìn)行雨量模擬的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)記錄并統(tǒng)計(jì)被檢定雨量計(jì)的輸出信號(hào)。在雨量模擬結(jié)束之后，系統(tǒng)會(huì)顯示被檢定雨量計(jì)的測(cè)量值，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)。

2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要包括Arduino UNO 板、液位檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示存儲(chǔ)模塊及監(jiān)視報(bào)警模塊等。

2.1 Arduino UNO 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)使用的是UNO 版本Arduino單片機(jī)，以ATmega328 MCU 主控芯片為核心的處理器，具有6 路模擬輸入，14 路數(shù)字輸入/輸出口，其中6 路可用于PWM 輸出，1 個(gè)USB 接口，1 個(gè)16 MHz 晶體電路，1 個(gè)電源接口，1 個(gè)ICSP leader 串行編程端口和1 個(gè)復(fù)位按鈕，可以非常簡(jiǎn)單、方便地進(jìn)行各種信號(hào)地采集和控制回路的擴(kuò)展［1］。Arduino UNO單片機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖2 Arduino UNO單片機(jī)

2.2 液位檢測(cè)模塊

由于雨量模擬儲(chǔ)水室要保持足夠的水量，所以必須設(shè)置液位檢測(cè)模塊，可以隨時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)水室的液位信息。本系統(tǒng)使用的是AJ-SR04M-T-X 超聲波測(cè)距模塊，其理論探測(cè)距離為20 cm～800 cm，在保證較高精度時(shí)其探測(cè)距離為20 cm～250 cm。該模塊與外部連接的有4 個(gè)引腳：直流電源端VCC、接地端GND、輸入啟動(dòng)信號(hào)端Trig 及輸出測(cè)量信號(hào)端Echo［2］。將Trig 和Echo 引腳分別接至Arduino系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)I/O 口8 腳和9 腳。數(shù)據(jù)采集及處理具體過(guò)程如下：

1）Arduino 控制I/O 口8 腳輸出1 個(gè)大于10 μs的高電平，觸發(fā)模塊發(fā)出40 k的超聲信號(hào)；

2）在超聲信號(hào)發(fā)出時(shí)，I/O 口9腳讀入1個(gè)持續(xù)的高電平，直到檢測(cè)到回波；

3）測(cè)量距離=（I/O 口9 腳高電平持續(xù)時(shí)間*340 m/s）/2。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

雨量模擬的開(kāi)始、停止以及模擬雨強(qiáng)大小均需要水閥來(lái)控制，而水閥的開(kāi)啟、閉合以及開(kāi)啟程度是需要步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制的。步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的定位和速度控制。驅(qū)動(dòng)電路的輸入端會(huì)一直檢測(cè)有無(wú)脈沖信號(hào)，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不動(dòng)；當(dāng)輸入端接收到脈沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子便以固定的角度（稱之為步距角）轉(zhuǎn)動(dòng)［3］，步距角決定了步進(jìn)電機(jī)完成一轉(zhuǎn)所需要的步數(shù)，而內(nèi)部繞組的通電順序則決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

本系統(tǒng)采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是L298N，它是一種驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的集成電路，并且體積小、啟動(dòng)性好。其硬件電路如圖3 所示，其中續(xù)流二極管D1、D2、D3 和D4 構(gòu)成的“H 橋”作為L(zhǎng)298N 的輔助電路，Arduino 單片機(jī)控制器通過(guò)ENA 對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，INT1和INT2分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向與制動(dòng)。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家氣象局出臺(tái)的相關(guān)雨量計(jì)檢定規(guī)程，雨量計(jì)檢定一般設(shè)置小雨、中雨和大雨3 種降雨強(qiáng)度［4］，本雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)提供小雨（0.5 mm/min）、中雨（1.0 mm/min 或2.0 mm/min）、大雨（4.0 mm/min 或5.0 mm/min），共5 種模擬雨強(qiáng)，模擬的雨量大小為10 mm 或30 mm。目前，我國(guó)采用的雨量計(jì)承水器直徑d大小為20 cm，因此雨量大小h為10 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的總降水量為

雨量大小為30 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的降水量為942 mL。

已知雨量計(jì)承水器直徑大小為d，雨量大小為h，放水時(shí)間為t，可得雨強(qiáng)大?。?/p>

水流量大小為

該雨量計(jì)校驗(yàn)儀在不同雨強(qiáng)大?。ó?dāng)模擬降雨量為10 mm 和30 mm 時(shí)）下的放水時(shí)間，分別如表1和表2所示。

表1 模擬降雨量為10 mm時(shí)的放水時(shí)間

表2 模擬降雨量為30 mm的放水時(shí)間

系統(tǒng)的整體檢定流程如圖4 所示。系統(tǒng)上電后，首先檢查水閥和報(bào)警燈是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果在開(kāi)始前水閥未關(guān)閉，可能會(huì)因?yàn)槁┧斐烧`差，若檢測(cè)到閥門沒(méi)有關(guān)閉，則發(fā)出指令關(guān)閉閥門；校驗(yàn)開(kāi)始前必須確保雨量模擬儲(chǔ)水室內(nèi)的水量充足，因此需要啟動(dòng)液位檢測(cè)模塊，若檢測(cè)到雨量模擬儲(chǔ)水室的水位低于最低設(shè)定值，則發(fā)出警報(bào)，提醒用戶及時(shí)加水，若檢測(cè)到水位高于設(shè)定值，則保存當(dāng)前液位值，繼續(xù)向下執(zhí)行。用戶通過(guò)上位機(jī)選擇所需要模擬的雨強(qiáng)（0.5 mm/min～5.0 mm/min）和降雨量大小（10 mm/30 mm），系統(tǒng)讀取到用戶所輸入的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)一系列換算得出總放水時(shí)間和步進(jìn)電機(jī)的步距角，繼而控制步進(jìn)電機(jī)打開(kāi)閥門并計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的總放水時(shí)間時(shí)，控制閥門關(guān)閉。雨量模擬過(guò)程完成以后，系統(tǒng)讀取被校驗(yàn)雨量計(jì)的輸出信號(hào)，從而計(jì)算出被校驗(yàn)雨量計(jì)的誤差值，并顯示測(cè)量值和誤差值，同時(shí)給出判斷結(jié)論，即被校驗(yàn)雨量計(jì)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。

圖4 系統(tǒng)總體流程

3.2 步進(jìn)電機(jī)流量控制程序

Arduino UNO 系統(tǒng)讀取到用戶輸入的模擬雨強(qiáng)值后，通過(guò)計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收到控制信號(hào)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)和停止并控制步距［5］，閥門在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)線開(kāi)啟和閉合，從而通過(guò)不同的開(kāi)啟程度控制水量。具體控制流程如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)流量控制流程

系統(tǒng)依據(jù)模擬雨量大小h及模擬雨強(qiáng)大小p，計(jì)算出相應(yīng)的總模擬降水量大小vi，進(jìn)而得到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的步數(shù)Ti，最終使模擬水量均勻地排出。當(dāng)用戶所選擇的模擬雨強(qiáng)較大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)要增加轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，閥門開(kāi)啟程度加大，從而加大實(shí)時(shí)流量，放水時(shí)間隨之縮短；反之則減少轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，閥門開(kāi)啟程度減小，從而減小實(shí)時(shí)流量，放水時(shí)間隨之延長(zhǎng)。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，即達(dá)到要求“降水量”時(shí)，單片機(jī)及時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，迅速并精確地將水閥關(guān)閉。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的人工手動(dòng)校驗(yàn)方式相比，本文所設(shè)計(jì)的智能雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，能夠有效地避免人為操作誤差，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、省時(shí)省力、易于維護(hù)。今后還需進(jìn)一步地提高步進(jìn)電機(jī)控制水閥的精度使流量更加均勻、精確，同時(shí)不斷改進(jìn)完善各個(gè)功能模塊，使整個(gè)雨量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)更加的穩(wěn)定智能，檢定結(jié)果更加精準(zhǔn)、可靠。