專利名稱：一種超聲波式自校準高精度雨量計的制作方法
技術領域：
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本發明涉及一種用于小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量測量的超聲波式自校準高精度雨量計及其測量方法。
背景技術：
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現有技術中，雨量測量主要有翻斗式與虹吸式。翻斗式結構簡單，但精度受雨強大小影響較大，大雨或暴雨時，誤差較大；且其機械傳動結構影響其壽命，需要定期維護。虹吸式有一定精度，但主要應用于現場讀數，不利于數據遠程傳輸；結構過于復雜不利于安裝、維護；無損失降雨觀測量程小。同時，雨量測量主要有以下兩大特點
精度要求高。按國家降雨量規范要求，雨量測量應每分鐘上報一次，即雨強每分鐘的降雨量。精度不高，會造成年、月、日累計雨量相當大的誤差。誤差太大，將失去雨量測量的意義。 工作環境惡劣山區、庫區等重要地區主要為野外環境。因此對于雨量測量設備有以下需求 精度高
安裝方便，用戶便于使用
人工干預少，數據能遠程傳輸，自動化程序高
抗干擾能力強，適應野外工作環境
性能穩定，無故障不間斷工作時間長，維護少
無損失降雨觀測量程大。根據雨量測量的實際情況，當前主要的兩種雨量測量方式均不能滿足雨量測量的要求。
發明內容
本發明的目的就是克服現有技術的不足，提供一種精度高、性能穩定、抗干擾能力強、結構簡單、安裝方便、低功耗的超聲波式自校準高精度雨量計及其測量方法。為實現上述目的，本發明的一個方案是提供一種超聲波式自校準高精度雨量計，包括雨量桶，關鍵是還包括超聲波換能器、校正量具、排水系統和控制器，校正量具設于雨量桶內，換能器置于雨量桶內的底部，校正量具的下方，排水系統包含控制排水的闊門，設于雨量桶的底部。
上述控制器包含微處理器CPU、發射輸出電路、接收輸入電路、數據存儲電路、閥門驅動電路和電源電路，微處理器CPU經閥門驅動電路驅動閥門工作，微處理器CPU通過發射輸出電路激勵換能器發射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具表面反射并被換能器接收轉化成電信號，再經接收輸入電路輸入微處理器CPU進行數據處理，超聲波垂直傳播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被換能器接收轉化成電信號，再經接收輸入電路輸入微處理器CPU進行數據處理，微處理器CPU經數據存儲電路存儲數據，電源電路向各部分電路提供所需的電源。
在一種實施方式中，上述超聲波換能器設有二個， 一個為校正用換能器，置于校正量具的正下方，校正換能器發射超聲波至校正量具表面，并接收反射回來的超聲波，另一個為測量用換能器，和校正換能器發射頻率相同，處于同一水平面，偏離校正量具，測量換能器發射超聲波至雨量桶聚集的雨水表面，并接收反射回來的超聲波。所述校正量具可以為完全反射校正換能器發射超聲波的寬不銹鋼板。
在另一種實施方式中，上述超聲波換能器設有一個，該換能器發射的超聲波，一部分至校正量具表面反射，并被換能器接收，另一部分穿過校正量具，至雨量桶聚集的雨水表面反射，并被換能器接收。所述校正量具可以為部分反射換能器發射超聲波的窄不銹鋼板。
作為本發明的改進，還包括清洗系統，清洗系統包含正對換能器的噴嘴和抽水至
噴嘴的水泵，控制器還包含水泵驅動電路，微處理器CPU經水泵驅動電路驅動水泵工
作。以便定時自動清洗超聲波換能器表面的淤積物，并在排水時一并將淤積物排出雨量桶。 ■
通過微處理器CPU軟件設計，可實現智能排水，當檢測雨量桶內水位達到設定水
位后，在檢測到沒有降雨時，自動開動清洗系統同時開啟閥門，將經過清洗的雨量桶內雨水及時排出桶外，便于下一次降雨檢測。
還可以包括檢測雨量桶內雨水溫度的雨水溫度傳感器，設于雨量桶內的底部，控
制器還包含雨水溫度檢測電路，微處理器CPU通過雨水溫度檢測電路讀取雨水溫度傳
感器的數值。還可以包括檢測實時降雨雨溫的降雨溫度傳感器，設于雨量桶的外部，控制器還包含降雨溫度檢測電路，微處理器CPU通過降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器的數值。設計專門檢測雨量桶內雨水溫度的雨水溫度傳感器和專門檢測實時降雨雨溫的降雨溫度傳感器，便于收集更多的降雨觀測資料，便于信息融合。
上述控制器還包含通訊接口，微處理器CPU通過通訊接口和外部設備通信，比如和上位機通信，實現數據遠程傳輸。
可見，本發明控制器起到協調、管理整個工作過程的作用。其微處理器CPU可實現超聲波發射、接收、數據處理、數據存儲、雨量測量、自動清洗、自動排水、通訊等的智能控制。
本發明的另一方案是提供一種超聲波式自校準高精度雨量測量方法，它包含下列歩驟 '
確定超聲波換能器發射超聲波，到從校正量具返回，所經歷的時間tl;
和所述換能器同一水平面、具有同一發射功率的同一或另一換能器發射超聲波，到從雨量桶聚集的雨水表面返回，所經歷的時間t2;再按照公式 ，
H二^h 其中h為換能器表面到校正量具的垂直距離，。
獲取當前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H和上一次換能
器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離Hl，若當前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D;若當前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl，
則降雨量D二0。
本發明的超聲波換能器用于產生與接收超聲波信號，通過分別檢測超聲波至校正量具的發射一接受時間tl，超聲波至雨量桶內聚集雨水表面的發射一接受時間t2，若校正量具的高度為h厘米，則雨水表面到底部的高度為H二hXt2/tl。可見，因校正量具的高度h固定不變，故雨量桶內雨水表面的高度僅與兩個檢測時間的精度有關，與其他溫度、介質粘度、比重、氣壓等因素無關。
6由于本發明能精確測量雨量桶內雨水表面的高度，從而能精確測量降雨量。
圖l(a)為本發明實施例一的結構示意圖l(b)為本發明實施例二的結構示意圖2(a)為本發明實施例一的控制器電路原理框圖
圖2(b)為本發明實施例二的控制器電路原理框圖3為本發明實施例的電源電路原理圖4為本發明實施例的數據存儲電路原理圖5為本發明實施例的通訊接口電路原理圖6為本發明實施例的高壓電路原理圖7為本發明實施例的發射電路原理圖8為本發明實施例的接收放大電路原理圖9為本發明實施例的電壓比較電路原理圖IO為本發明實施例的光電耦合電路原理圖11為本發明實施例的水泵驅動電路原理圖12為本發明實施例的閥門驅動電路原理圖13為本發明實施例的溫度檢測電路原理圖14為本發明實施例的主程序流程圖15為本發明實施例的雨量測量子程序流程圖16為本發明實施例的水泵清洗子程序程序流程圖17為本發明實施例的閥門排水子程序流程具體實施例方式
以下結合附圖詳細描述本發明的實施例。實施例一
如圖l(a)所示，本發明實施例一，包括集雨器l、雨量桶2、校正用超聲波換能器3、測量用超聲波換能器4、校正量具5、控制器6、雨水溫度傳感器7、降雨溫度傳感器8、排水系統和清洗系統。校正量具5設于雨量桶2內，校正換能器3和測量換能器4發射頻率相同，均置于雨量桶2內的底部，處于同一水平面，校正換能器3置于校正量具5的正下方，測量換能器4偏離校正量具5。校正量具5為完全反射校正換能器3發射超聲波的寬不銹鋼板，取寬25mm，長90mnu厚1.5mm。雨水溫度傳感器7設于雨量 桶2內的底部，用于檢測雨量桶2內的雨水溫度，降雨溫度傳感器8設于雨量桶2的外部， 用于檢測實時降雨雨溫。排水系統包含控制排水的閥門9，設于雨量桶2的底部，清洗 系統包含正對校正換能器3、測量換能器4的噴嘴10和抽水至噴嘴的水泵11。
如圖2(a)所示，實施例一的控制器6包含微處理器CPU、接收輸入電路、發射輸 出電路、數據存儲電路、水泵驅動電路、閥門驅動電路、雨水溫度檢測電路、降雨溫 度檢測電路、通訊接口和電源電路。接收輸入電路包括依次串接的接收放大電路、檢 波電路、電壓比較電路、光電隔離電路和整形電路。發射輸出電路包括光電隔離電路、 高壓電路、第一路發射電路、第二路發射電路。光電隔離電路隔離數字電路和模擬電 路，微處理器CPU通過其P麗口經光電隔離電路控制高壓電路產生高壓，為第一路發射 電路和第二路發射電路提供高壓，隨后，微處理器CPU產生同步發射脈沖經光電隔離 電路控制第一路發射電路產生高壓脈沖，激勵校正換能器3發射超聲波，超聲波垂直 傳播至校正量具5表面反射，并被校正換能器3接收轉化成電信號，再經接收輸入電路 輸入微處理器CPU進行數據處理；同樣，微處理器CPU產生同步發射脈沖經光電隔離電 路控制第二路發射電路產生高壓脈沖，激勵測量換能器4發射超聲波，超聲波垂直傳 播至雨量桶2聚集的雨水表面反射，并被測量換能器4接收轉化成電信號，再經接收輸 入電路輸入微處理器CPU進行數據處理。微處理器CPU經數據存儲電路存儲數據，存儲 相應參數、溫度、雨量以及雨量累計量等。微處理器CPU經水泵驅動電路驅動水泵ll 工作，控制清洗；經閥門驅動電路驅動閥門9工作，控制排水；經雨水溫度檢測電路 讀取雨水溫度傳感器7的數值；經降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器8的數值；經 通訊接口和上位機通信。微處理器CPU檢測雨量桶2內雨水的液位、溫度以及上位機相 應命令，通過規定的控制方法測量雨量、控制閥門9、水泵11工作。電源電路向各部 分電路提供所需的電源。
控制器6激勵超聲波換能器發射超聲波，超聲波在空氣與水的界面會發生反射， 反射回的超聲波被超聲波換能器接收轉化為電信號，控制器6通過檢測這些電信號可 得到超聲波在水中經歷的時間。通過式(l)，即可求得超聲波換能器表面到雨量桶聚 集雨水表面的垂直距離，即液位。通過測量雨量筒2內的液位差，即可得到降雨量， 因此，對雨量的測量轉化為對雨量筒2內液位的測量。
8<formula>formula see original document page 9</formula> 式(1)
式中c超聲波在水中傳播的速度
t超聲波從發射到返回所經歷的時間 s換能器表面到反射面的垂直距離 但由于超聲波在水中傳播的速度，并不是恒定不變的，會隨著溫度、大氣壓力、 粘度等參數的改變而改變。因此，要精確測量液位，就需要聲速校正。
溫度、大氣壓力、粘度等參數對聲速的影響呈現非線性特性。本發明采用聲學標 準校iH量具的方法，可一次校正溫度、大氣壓力、粘度等參數的變化對聲速的影響。 如圖l(a)所示，校正換能器3發射的超聲波，被校正量具5反射，校正量具5為 具有一定寬度的不銹鋼板，取寬25mm,長卯mm,厚1.5mm，通過式(2)可得到校正換 能器3表面到校正量具5的垂直距離h。測量換能器4發射的超聲波，被雨量桶2聚 集的雨水表面反射，通過式(3)可得到測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的 垂直距離H。
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(2)
式中Cl校正換能器3發射的超聲波在雨量筒2內聚集雨水中傳播的速度
h 校正換能器3表面到校正量具5的垂直距離 、超聲波從發射到從校正量具5反射回，所經歷的時間
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(3)
式中c 測量換能器4發射的超聲波在雨量筒2內聚集雨水中傳播的速度 H測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離 t2超聲波從發射到從雨量桶2聚集雨水表面反射回，所經歷的時間 由式(2)、③可得式(4):
<formula>formula see original document page 9</formula>式(4)
由于在同一液體中，相同頻率的超聲波傳播速度相同，因此只要保證校正換能 器3、測量換能器4的頻率相同，即有c,= c2，校正換能器3、測量換能器4的頻
率均取5M。因此蘭=^ = 1
得H=^h 式(5)
對于實施例一，校正換能器3到校正量具5的垂直距離h為固定值，取50mm。 因此通過式(5)，測量出校正換能器3、測量換能器4發射出的超聲波，從發射到返
回所經歷的時間t,、 t2，即可求得測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂
直距離H，即液位。
對于式(5)，液位的測量，只與tp t2、 h有關，而與聲速無關。
因此，圖l(a)所示的雙換能器聲學標準校正量具法可以完全校正溫度、大氣壓 力、粘度等參數變化對聲速的影響所帶來的誤差。 實施例 一 的雨量測量方法，包含下列步驟 確定校正換能器3發射超聲波，到從校正量具5返回，所經歷的時間tl;
測量換能器4發射超聲波，到從雨量桶2聚集的雨水表面返回，所經歷
的時間t2; 再按照公式
H=!lh 其中h為校正換能器3表面到校正量具5的垂直距離， 獲取當前測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當前測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H和上 一次測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離Hl， 若當前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若當前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl， 則降雨量D二O。
如圖2(a)所示，微處理器CPU通過其P麗口控制高壓電路，產生高壓。隨后微 處理器CPU產生同步發射脈沖控制第一路發射電路產生高壓脈沖，激勵校正換能器3發生超聲波。超聲波回波通過校正換能器3轉化成電信號，通過接收放大電路、檢波 電路、電壓比較電路、光電隔離電路、整形電路，入進微處理器CPU，并被微處理器 CPU檢測到。微處理器CPU從產生發射脈沖開始打開計時器，到回波信號進入微處理 器CPU關閉計時器，以獲得超聲波傳輸時間tl，以同樣的方式獲得測量換能器4產 生的超聲波傳輸時間t2。
可見，實施例一通過集雨器1將雨水集于雨量筒2內，微處理器CPU控制校正 換能器3發射超聲波并獲得超聲波傳輸時間tl，控制測量換能器4發射超聲波并獲 得超聲波傳輸時間t2，即可獲取測量換能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直 距離H，測量雨量筒2內液位差，即可得到降雨量D。
實施例二
如圖l(b)所示，本發明實施例二和實施例一的不同之處是僅使用一個超聲波換 能器3,校正量具5相對實施例一，要窄一些，為部分反射換能器3發射超聲波的窄 不銹鋼板，取寬5mm，長90mm，厚1.5mm，該換能器3發射的超聲波， 一部分至 校正量具5表面反射，并被換能器3接收，另一部分穿過校正量具5，至雨量桶2聚 集的雨水表面反射，并被換能器3接收。相應地，如圖2(b)所示，實施例二的控制 器6中發射輸出電路包括光電隔離電路、高壓電路、發射電路，就只有一路發射電路。
實施例二的其余結構和實施例一相同，此處不多描述。
如圖l(b)所示，超聲波換能器3發射的超聲波， 一部分被校正量具5表面反射， 一部分穿過校正量具5，被雨量桶2聚集的雨水表面反射。設被校正量具5反射的超
聲波傳輸時間為t,,被雨量桶2聚集雨水表面反射的超聲波傳輸時間為t2 。
通過式(4)有'
由于被校正量具5反射回的超聲波與被雨水表面反射回的超聲波，均是同一換 能器3產生的一次超聲波中的兩部分，因此頻率相同，即聲速也相同。。
所以圖l(b)中采用的單換能器聲學標準校正量具法同樣能校正溫度、大氣壓力、 粘度等參數變化對聲速的影響，以達到精確測量的目的。
實施例二的雨量測量方法，包含下列步驟確定超聲波換能器3發射超聲波，到從校正量具5返回，所經歷的時間tl;
到從雨量桶2聚集的雨水表面返回，所經歷的時間t2; 再按照公式
H=^h 其中h為換能器3表面到校正量具5的垂直距離， 八
獲取當前換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H;
然后
比較當前換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離H和上一次 換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距離Hl， 若當前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，
則按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若當前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl， 則降雨量D二0。
如圖2(b)所示，微處理器CPU通過其P麗口控制高壓電路，產生高壓，隨后微 處理器CPU產生同步發射脈沖控制發射電路產生高壓脈沖，激勵換能器3發生超聲波。 超聲波回波通過換能器3轉化成電信號，通過放大電路、檢波電路、電壓比較電路、 光電隔離電路、整形電路，入進微處理器CPU，并被微處理器CPU檢測到。微處理器 CPU從產生發射脈沖開始打開計時器，當被校正量具5反射的回波信號進入微處理器 CPU,獲得從校正量具5反射回波經歷時間tl，計時器繼續工作，當被雨量桶2聚集 雨水表面反射的回波信號進入微處理器CPU，關閉計時器，獲得從雨量桶2聚集雨水 表面反射回波經歷時間t2。
可見，實施例二通過集雨器1將雨水集于雨量筒2內，微處理器CPU控制換能 器3發射超聲波，獲得從校正量具5反射回波經歷時間tl，獲得從雨量桶2聚集雨 水表面反射回波經歷時間t2，即可獲取換能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂 直距離H，測量雨量筒2內的雨水液位差，即可得到降雨量D。
本發明實施例的閥門9在控制器6的控制下用于排水，在兩種情況下需要排水
1) 防止雨量筒2內雨水溢出，設定兩道警戒線。當液位高于第一道警戒線， 等待下雨結束后，排水。當液位高于第一道警戒線后，下雨未結束，液位 繼續上升并高于了第二道警戒線，不管當時是否下雨，均要排水。防止雨水溢出的排水，不需要將筒內雨水放完，只需要放到安全液位即可。 本發明實施例設定雨量筒深500腿； 安全液體200咖；
第一道警戒線350mm;第二道警戒線450mm; 2) 通過雨水溫度傳感器7檢測雨量筒2內水溫，水溫低于0. 5'C時，為防止 筒內雨水結冰后對傳感器7，以及閥門9、水泵ll的破壞，需要將雨水全
部排完。當水溫高于rc后，關閉閥門9。
水泵11在控制器6的控制下，用于對雨量筒2以及傳感器7的清洗。
1) 定期對超聲波換能器表面清洗，保持其表面清潔。本發明實施例規定每4 小時，對換能器表面脈沖式清洗四下。
2) 當閥門9排水時，需打開水泵ll，攪動雨量筒2底部長時間積累的污質， 使其通過排水口排出。
本發明實施例的微處理器CPU選用NEC公司的8位PPD78F0881型單片機，IK RAM,
32KROM，內置一路CAN總線接口、 2路UART接口、 一路"C接口。采用20M晶
振，單片機工作主時鐘10M，計數器時鐘20M。
如圖3所示，為實施例電源電路原理圖圖3 (a)為電源接入部分電路。Cl、 C2 主要起濾波作用。D為防反接二極管。F為自恢復保險，在電路異常出現大電流時切 斷工作電源，保護其它電路。系統工作主電源為12VDC。圖3 (b)為12V轉5V穩壓電 路，負責為單片機與485接口供電VCC。圖3(c)電源控制開關，系統除單片機與485 接口，其它部分的電源從12V2引入。在Control端加低電平，三極管Q截止，P溝 道M0S管柵極為高電平，M0S管截止，輸出電壓為0， 12V2=0V。當Control端為高電 平時，三極管Q導通，P溝道M0S管柵極為低電平，M0S管導通，輸出電壓約為12VDC， 12V2=12V，系統上電工作時，在Control端加高電平，閑時在Control端加低電平。 除單片機與485接口外其它部分斷電，以保證系統低功耗運行。圖3(d)為12VDC轉 士12VDC電路，采用DC-DC模塊，實現數字地與模擬地隔離。
如圖4所示，實施例的數據存儲電路采用AT24C02 E2R0M存儲芯片，實現對電
路參數、雨量、雨量累計量、溫度的存儲與掉電保護。
如圖5所示，為實施例通訊接口電路原理圖，采用485接口與上位機通信。選用 專用485接口低功耗芯片65HVD3082。通過二極管D1、 D2、 D3、 D4以及F1、 F2自恢
13復保險保護總線安全。
如圖6所示，是實施例高壓電路原理圖，為反激式升壓電路，實現12VDC到200VDC 的升壓，用于超聲波發射的電壓一聲波轉換高壓電源。在N溝道M0S管K2645的柵極 加頻率為100K頻率的P畫觸發信號，持續時間為l秒，通過高頻變壓器T，可在電 容C中存儲200V的電壓。高頻變壓器匝比為12: 200。
如圖7所示，為實施例發射電路原理圖，當N溝道M0S管K2645的柵極的為低電 平時，M0S管截至，電路通過R1、 C、 D2，可在電容C中充入200V電壓。在MOS管柵 極加一高電平脈沖，MOS管在脈沖高電平期間導通，電路通過電容C、 MOS管、電阻 R2、換能器SF、 二極管D3構成電容C的放電回路，因此在換能器SF上，可產生-200V 的脈沖，電阻R2起到分流作用，防止，大電流燒壞換能器SF。換能器SF在-200V 脈沖的作用下產生超聲波。
如圖8所示，為實施例接收放大電路原理圖，超聲波回波被換能器接收后，轉化 成幾十毫伏到上百毫伏的交流電壓信號，通過運算放大器M放大到伏級。電容C1、 C2、電阻R1起隔離作用，防止直流信號進入放大器。二極管D1、 D2起鉗位作用，防
止高壓脈沖進入放大電路，保護后級電路。放大器增益^1=，=20，將回波信號放大
到2V左右。通過C3隔離進入濾波放大電路。濾波放大電路采用帶通過濾波器，中心 頻率為5M，帶寬為0.5M，放大增益為2。通過濾波放大后的回波信號進入由D3、 R8、 C6組成的檢波電路，D3選用高頻檢波二極管IN60，檢波電路將放大濾波后的回波交 流信號轉化成包絡直流信號。
如圖9(a)所示，為實施例電壓比較電路，當EN端電壓低于VRF時，電壓比較器 B通過上拉電阻R2輸出高電平，當EN端電壓高于VRF時，電壓比較器B輸出翻轉為 低電平。當包絡信號進入電壓比較器時，由于電壓比較器的原理，在輸出端可形成低 電平的脈沖信號。通過反向器F可轉化成高電平的脈沖信號。VRF為電壓比較器的參 考電壓。圖9 (b)所示為比較器參考電壓產生電路。MC1403為精度為1%的穩壓芯片， 5V輸入2. 5V輸出。通過電阻R1、 R2分壓，yRF為1. 25V參考電壓。
如圖10所示，為實施例光電耦合電路。光偶采用6N137高速光耦集成芯片。當 OUT端為低電平時，interrupt端為低電平，當OUT端為高電平時，interr叩t端為 高電平。因此根據光電耦合的原理，接收電路產生的正脈沖信號，可以通過光電偶合電路產生正脈沖信號，進入單片機外部中端端口，觸發單片機外部中斷，停止計時器 工作，獲得超聲波傳輸時間。
如圖11所示，為實施例水泵驅動電路。驅動電路采用電子開關的原理，當Control 端為低電平時，三極管Q截止，P溝道MOS管柵極為高電平，M0S管截止，輸出電壓 為0，當Control端為低電平時，三極管Q導通，P溝道MOS管柵極為低電平，M0S 管導通，輸出電壓約為12VDC。水泵釆用直流12VDC水泵。根據電子開關原理，當 Control端為低電平時，水泵不工作，當Control端為低電平時，水泵工作。
如圖12所示，為實施例閥門驅動電路。驅動電路采用電機專用集成芯片L9110。 當VAI+端為高TTL電平，VAI-端為低TTL電平時，VA0+端輸出高電平，VA0-端輸出 低電平，輸出電流可達800毫安，驅動閥門正向打開，同理VAI+端為低TTL電平， VAI-端為高TTL電平時，驅動閥門反向關閉。VAI+端與VAI-端同為高電平或低電平 時閥門不工作。
如圖13所示，為實施例溫度檢測電路。采用數字式溫度傳感器DS18B20，其DATA 端口只需接入單片機IO 口，按照規定的時序發命令，即可讀取溫度數據。電阻R為 上拉電阻，平時DATA 口為高電平。電容C為旁路濾波電容，溫度傳感器精度為0. 0625。C。
如圖14所示，為主程序流程圖，當系統上電后，系統首先初始化處理，進入休眠 狀態等待上位機命令。當485總線上有數據傳輸時，單片機從休眠狀態喚醒，判斷是 否是雨量測量命令，如果是，則完成測量工作，通過測量數據判斷是否需要清洗、排 水處理，并上報相應數據，如不是，則繼續休眠。測量完成后單片機回到休眠狀態。 如圖15(a)所示，為雨量測量子程序，首先判斷系統是雙換能器還是單換能器， 對于雙換能器，校正換能器3與測量換能器4的回波時間需要獨立測量，對于單換能 器兩次回波時間可以同一過程中測量。根據測量的時間按式(5)可以計算得當前雨量 桶內雨水的液位H，再與上一次測量液位H1相比較，如果H〉H1，則認為下雨，并將 其差值作為雨量D，否則認為沒有下雨，雨量D為0。圖15 (b)為換能器回波時間測 量子程序，先通過100KHz PWM信號控制高壓電路工作1秒，產生200V高壓存儲于電 容中，等待100ms，電路處于穩定狀態。發射高壓脈沖，打開計時器，并延時30微 秒后打開中斷等待回波信號，延時30微秒的目的也是等待電路處于穩定狀態防止對 中斷的干擾。中斷服務程序中，雙換能器系統只需要接收一次回波信號，即可關閉計
15時器，單換能器系統需要接收兩次回波信號方可關閉計時器。
如圖16所示，為水泵清洗子程序。水泵清洗過程采用脈沖式清洗法，開水泵2 秒，關閉水泵2秒，如此反復5次操作。
如圖17所示，為閥門排水子程序。電路上電后，先順時針開閥門5秒，再逆時針 丌閥門5秒，反復兩次。目的是通過正反轉清除閥門球體處的堵塞物。在排水過程中， 打開水泵，攪拌、沖洗雨量筒底部，使長時間沉淀在底部的雜質從排水口排出。
本發明實施例與現有技術相比，優點在于
精度高，性能穩定，性能不受溫度、濕度、雨強等因素影響。
無損失降雨觀測量程最大可達500mm/天。
功耗低，在野外無市電的環境可用蓄電池長期供電。
數據可遠程傳輸，無需到現場讀數。
增加雨溫檢測功能。
具有分、時、日、月、年雨量累計功能，在通信故障的情況下，數據不丟失，
保障數據的連續性。
安裝維護方便，且具有自維護功能。
權利要求
1、一種超聲波式自校準高精度雨量計，包括雨量桶(2)，其特征在于還包括超聲波換能器、校正量具(5)、排水系統和控制器(6)，校正量具(5)設于雨量桶(2)內，換能器置于雨量桶(2)內的底部，校正量具(5)的下方，排水系統包含控制排水的閥門(9)，設于雨量桶(2)的底部；所述控制器(6)包含微處理器CPU、發射輸出電路、接收輸入電路、數據存儲電路、閥門驅動電路和電源電路，微處理器CPU經閥門驅動電路驅動閥門(9)工作，微處理器CPU通過發射輸出電路激勵換能器發射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具(5)表面反射并被換能器接收轉化成電信號，再經接收輸入電路輸入微處理器CPU進行數據處理，超聲波垂直傳播至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射并被換能器接收轉化成電信號，再經接收輸入電路輸入微處理器CPU進行數據處理，微處理器CPU經數據存儲電路存儲數據，電源電路向各部分電路提供所需的電源。
2、 根據權利要求1所述的雨量計，其特征在于所述超聲波換能器設有二個，一個為校正用換能器(3)，置于校正量具(5)的正下方，校正換能器(3)發射超聲波至校正量具(5)表面，并接收反射回來的超聲波，另一個為測量用換能器(4)，和校正換能器(3)發射頻率相同，處于同一水平面，偏離校正量具(5)，測量換能器(4)發射超聲波至雨量桶(2)聚集的雨水表面，并接收反射回來的超聲波。
3、 根據權利要求2所述的雨量計，其特征在于所述校正量具(5)為完全反射校正換能器(3)發射超聲波的寬不銹鋼板。
4、 根據權利要求1所述的雨量計，其特征在于所述超聲波換能器設有一個，該換能器(3)發射的超聲波， 一部分至校正量具(5)表面反射，并被換能器(3)接收，另一部分穿過校正量具(5)，至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射，并被換能器(3)接收。
5、 根據權利要求4所述的雨量計，其特征在于所述校正量具(5)為部分反射換能器(3)發射超聲波的窄不銹鋼板。
6、 根據權利要求1至5任一項所述的雨量計，其特征在于還包括清洗系統，清洗系統包含正對換能器的噴嘴(10)和抽水至噴嘴的水泵(11)，所述控制器(6)還包含水泵驅動電路，微處理器CPU經水泵驅動電路驅動水泵(11)工作。
7、 根據權利要求1至5任一項所述的雨量計，其特征在于還包括檢測雨量桶(2)內雨水溫度的雨水溫度傳感器(7)，設于雨量桶(2)內的底部，所述控制器(6)還包含雨水溫度檢測電路，微處理器CPU通過雨水溫度檢測電路讀取雨水溫度傳感器(7)的數值。
8、 根據權利要求1至5任一項所述的雨量計，其特征在于還包括檢測實時降雨雨溫的降雨溫度傳感器(8)，設于雨量桶(2)的外部，所述控制器(6)還包含降雨溫度檢測電路，微處理器CPU通過降雨溫度檢測電路讀取降雨溫度傳感器(8)的數值。
9、 根據權利要求1至5任一項所述的雨量計，其特征在于所述控制器(6)還包含通訊接口 ，微處理器CPU通過通訊接口和外部設備通信。
10、 一種超聲波式自校準高精度雨量測量方法，該方法包含下列步驟確定超聲波換能器發射超聲波，到從校正量具返回，所經歷的時間tl;和所述換能器同一水平面、具有同一發射功率的同一或另一換能器發射超聲波，到從雨量桶聚集的雨水表面返回，所經歷的時間t2;再按照公式H=^h 其中h為換能器表面到校正量具的垂直距離，獲取當前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H;然后比較當前換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離H和上一次換能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距離Hl，若當前垂直距離H大于上一次垂直距離Hl，則按公式D=H-HI 求出降雨量D;若當前垂直距離H不大于上一次垂直距離Hl，則降雨量D二0。
全文摘要
一種超聲波式自校準高精度雨量計，包括雨量桶、超聲波換能器、校正量具、排水系統和控制器，校正量具設于雨量桶內，換能器置于雨量桶內的底部，校正量具的下方，排水系統包含排水閥門，設于雨量桶的底部。控制器包含CPU，CPU經發射輸出電路激勵換能器發射超聲波，超聲波垂直傳播至校正量具表面反射并被換能器接收，經接收輸入電路輸入CPU進行數據處理，超聲波垂直傳播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被換能器接收，經接收輸入電路輸入CPU進行數據處理。通過分別檢測超聲波至校正量具的發射接受時間，超聲波至雨量桶內聚集雨水表面的發射接受時間，本發明能精確測量雨量桶內雨水表面的高度，從而能精確測量降雨量。本發明還提供了雨量測量方法。
文檔編號G01W1/14GK101464524SQ20091003657
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月12日 優先權日2009年1月12日
發明者鄭貴林 申請人:鄭貴林