基于 AT89S52 单片机设计的雨量率定仪

陈杰中，王沙宁

（水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 前言

目前国内外用于远传和实时雨情预报调度的雨量传感器当中，翻斗式雨量传感器占主导地位。翻斗式雨量传感器工作可靠，结构简单，易于把降雨量转化成电信号输出，便于远距离传输，为远传和无线遥测提供了方便。然而由于长期在野外使用，仪器的精度难免会下降，从而影响到雨情测报的精确程度，而拆卸回厂检定又非常麻烦。这就需要一种可以在野外使用的雨量传感器检定设备，JEX-1 雨量率定仪就是这样的检定设备。

1 率定仪工作原理

翻斗式雨量传感器主要误差来自于翻斗的计量误差，翻斗计量误差一旦确定，翻斗式雨量传感器的总误差也可大致确定。翻斗计量误差与注入的雨强呈线性关系，当降雨强度大时，计量误差偏负，当降雨强度小时，计量误差偏正。由于翻斗式雨量传感器雨强在 0～4 mm/min，所以一般要做 3 个点雨强的测量精度检测，其范围分别在 0.5、1.0、4.0 mm/min 左右。

为保证在率定过程中雨强的恒定，采用自身排水法，利用恒压设备控制注入水量的恒定，用溢流方法保持稳流桶中水头压力恒定，从而获得基本稳定的流速。在规定的时间内滴完，通过电子天平称重，计算出实际与理论排水量之差，从而判别雨量传感器的误差。计算公式：E = ( V- P ) / P×100%。式中：V 为翻斗理论上翻转水量；P 为翻斗实际上翻转水量；E 为翻斗计量误差，要求≤ ± 4 %。

各种翻斗式雨量传感器的滴水范围分别见表1、2、3、4。

表1 JDZ01-1型雨量传感器滴水范围

表2 JDZ02-1型雨量传感器滴水范围

表3 JDZ05-1型雨量传感器滴水范围

表4 DY1090A 型雨量传感器滴水范围

率定仪安装示意图如图1 所示。

图1 率定仪安装示意图

整套仪器由 1 个三角架支撑，先由人工将清水注入储水桶中，分别将雨量传感器和电子天平的通讯口与控制器连接。通过调节控制阀获得稳定的流量，即可开始率定雨量传感器。储水桶中溢流出来的水排到下面的集水罐中，当集水罐中的水上升到一定高度时，抽水泵会把水自动抽回储水桶中。

2 率定仪率定过程

将仪器按图1 的方式安装好后，将清水注入储水桶中，打开储水桶底部的出水阀门，用手捏滴水管，排去管内的气泡，待管内注满水并排净全部气泡后，逆时针方向旋松微控制阀，让稳流滴水装置内的清水通过滴水管注入漏斗，并使翻斗翻转 10 次以上，使待雨量传感器相关环节充分湿润，以减少湿润损失，提高率定的准确性。

控制器共分 5 个接口：电源开关、雨量计信号输入、电子天平通讯口、泵输入口和充电接口。分别将雨量计信号插头、电子天平通讯插头和泵插头插上，如电池电力不足，插上充电插头。

电源开关打开后，屏幕上会显示分辨率选择：10、05、02、01，分别代表1.0、0.5、0.2、0.1 mm 分辨率，选择完分辨率后选择率定雨强：大、中、小，分别代表：4.0、1.0 和 0.5 mm 雨强。

选择完雨强之后是模式选择，仪器有 2 种模式：“测试”和“工作”。测试的作用是：在开始率定前，调节排水管排水量。以 JDZ05-1 型雨量计为例，如果设定中雨强（1.0 mm），600 s 滴完，即每斗时间为 30 s。仪器自动记录 2 斗信号后的时间，可参考每斗的标准时间通过旋转控制阀调节排水量的大小，以达到相对精准的雨强。之后便可进入“工作”模式开始率定。

在率定时会显示出翻斗数和历时，在率定过程进行至一半（即 5 mm）的时候，系统会自动给出现在历时和标准历时之间的时间差，以提示是否需要调节排水量，以达到精确滴定的目的。当率定到 9 mm 时，蜂鸣器会发出提示音以提醒工作者，率定结束后蜂鸣器会长响。控制器通过读进电子天平的重量自动测算出实际雨强和误差。

3 硬件和软件设计

3.1 硬件设计

率定仪的硬件结构如图2 所示，以 AT89S52 单片机为核心，实现信号输入、键盘输入和数据显示、参数计算及 RS-232 通信等功能。系统主要由人机交互、信号输入、数据通信和抽水泵控制等模块组成。

图2 硬件结构

人机交互部分主要由键盘电路和液晶显示电路组成。键盘电路采用 4 路独立式键盘设计，共分为 4 个功能键：启动、移位、确认/切换和返回。液晶显示采用基于 ST7920 驱动芯片的 4 行中文液晶显示模块，直接与单片机连接。液晶显示模块用于人机交互的信息、参数及计算结果的显示。

由于翻斗式雨量传感器采用的是干簧管式开关信号，无法直接作为中断信号进入单片机，所以需要对其进行整形和放大，以增加驱动能力。仪器引出 2 根线分别接入雨量传感器，信号经过三极管两级共射放大电路进行放大。

数据通信模块用于电子天平与单片机的通信，以实现把称重量读进单片机。该模块采用 RS-232 接口电路，由单片机 UART 信号经 MAX202 芯片转换实现。T1OUT 和 R1IN 脚连接电子天平的通信口，T1IN1 和 R1OUT 分别接到单片机的 RXD 和 TXD 上。

3.2 软件设计

软件部分采用模块化编程设计思想，采用 C 语言编程，开发环境是 Keil uVision 2。主要由主程序、信号处理、计时、数据通信及控制等 5 个模块组成。

采用 AT89S52 作为控制核心，它是基于 MCS-51内核，带有 8 k 程序存储器、256 B 数据存储器、3 个定时器和标准串行通讯口。

软件主要由主程序、中断服务程序和 RS-232 通信程序、泵控制程序等 4 部分组成。

主程序包括液晶初始化子程序、键盘扫描功能的实现、设置定时器 T0 和 T1 的工作方式和初值，以及初始化中断系统，主程序流程如图3 所示。

图3 主程序流程图

信号处理和时间控制采用中断方式实现，其中雨量传感器的信号送入外部中断 INT1，时间控制用定时器 T0 实现。中断服务程序流程如图4 所示。

翻斗每翻转 1 次，仪器接收到 1 个下降沿信号，程序跳转进入中断服务程序。当接收到第一个信号时，打开定时器 T0，开始计时；当翻斗翻到预定值后，关闭定时器 T0，系统记录所经历的时间。系统会将这段时间自动换算成分钟，并将这段时间的排水量自动换算成毫升数，便可测算出实际的雨强值及误差。

图4 中断服务程序

抽水泵的自动抽水功能完全采用软件控制，免去了人工注水的麻烦，提高了智能化水平。基本功能是：当集水罐水位上升到上面探针以上时，水泵开始抽水，水位下降；当集水罐水位下降到下面的探针以下时，水泵停止抽水。

4 结语

基于 AT89S52 单片机设计的雨量率定仪自动化程度高，性能稳定、可靠性高、数据计算精确、操作人性化，具有较高的推广价值。

目前该率定仪已在三峡梯调中心投入使用，使用比较方便，JDZ05-1型雨量传感器率定结果（部分）如表5 所示，率定结果表明，该雨量传感器翻斗计量误差较小，率定精度较高。

为解决有些雨量站没有交流电源，充电比较麻烦的问题，对仪器电源部分做了改进，增加了 1 路 12 V 直流供电，并配有蓄电池，这样率定仪的使用场合更广泛了。

表5 JDZ05-1型雨量传感器率定结果（部分）

[1]姚永熙.水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001，8.

[2]张迎新. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004，10.

[3]马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003，11.