一种自动排水的称重式遥测雨量计设计与实现

2018-03-29李博

水利技术监督 2018年2期

李博

(辽宁省大连水文局，辽宁大连 116023)

目前，国内外测量降雨量的方式主要包括以下几种[1]，虹吸式测定雨量、翻斗式测定雨量和称重式测定雨量等。其中，虹吸式雨量计在我国最先推广使用，主要应用于基层水文站。但随着信息传输自动化的发展，其无法实现自动采集和远程传输的缺点越来越明显，已逐步淘汰，取而代之的是翻斗雨量计和称重式雨量计等自动采集传输设备。翻斗雨量计是目前我国应用最为广泛的遥测雨量计，运行较为稳定，但其同样具有很多影响因素影响到其测量精度，例如，在翻斗口有异物堵塞时，或者翻斗不灵活时影响数据精度；更为严重的是当雨强超过特定值时翻斗翻转不及时，造成雨量数据丢失，严重影响降雨量的准确测定及水文资料统计。近年来，少部分地区采用称重式雨量计，该雨量计主要优点为收集到的雨量不丢失，测量精度较高，缺点是现有的称重式雨量计没有有效的解决自动排水问题(通过人工排水)，增加了人为干预因素，影响了测定精度。如能很好的解决上述问题，称重式雨量计将会是遥测雨量计的发展方向。

1 总体设计

称重式遥测雨量计主要由雨量筒，太阳能基板，蓄电池，特制漏斗，储水漏斗、水泵，数据采集箱等组成，如图1所示。雨量筒设计高度为70mm，用于收集雨水。筒内最上方安装一个储水漏斗，在储水漏斗和三通之间的胶管上安装一个单向截止阀，目的是收集到的雨水只可以从上向下流，不能反向流动；三通中间端接排水管，排水管出口处设计在高于储水漏斗的雨量筒壁上，可以防止雨水从储水漏斗下来误入排水管造成降水丢量现象。三通下端通过进水管下接水泵，水泵接数据采集箱，悬于储水桶内，水泵的吸水管位于侧面。用于盛水的储水桶固定在称重托盘上，托盘下连称重传感器。

正常运行时从雨量筒收集到的雨水经特制漏斗、储水漏斗、三通及水泵进入储水桶，由称重传感器称出重量，数据采集箱将称出的雨水重量换算成20cm口径雨量计降水的高度，每分钟测量、存储一次。

当储水桶中雨水达到设定高度时，数据采集箱得到指令，触发水泵通电运转，由于压力的作用推动活门使截止阀关闭，外部雨水暂时存在储水漏斗中，储水桶内的水经三通通过排水管排出。

排水时长设有两个阈值，一是时间，二是储水桶内剩余水量。排水时，数据采集箱实时检查储水桶内的水量，同时启动数据采集箱中的定时器，当水量小于设定值时，停止排水，如果排水时间超过设定时间40s时，强制停止排水，关闭水泵，截止阀自动打开。排水的整个过程中数据采集箱会停止降水量计算，而时间及短信功能正常工作。

排水停止时，数据采集箱会自动读取和记录一个高度，用来设定下一分钟高度起始值，暂时存在储水漏斗内的雨水进入到储水桶，被记录到下一分钟量内的降水量，如此循环。

每次测量后，采集的数据会分别存储在数据采集箱中单片机内部的EPPROM芯片和存储模块的SD卡内，保证了数据的安全，同时也方便数据的调取及备份。另一方面运用数据采集箱中短信模块中的SIM卡，通过GPRS传输信道将收集到的降水数据传输到接收平台。

蓄电池负责整个雨量计的供电，太阳能基板负责对其充电，保证蓄电池输出电源的稳定持续性。通过电源稳压模块，给水泵、存储模块、短信模块、时钟模块、LED显示屏、单片机、D/A转换模块等供电。

图1 总体设计图

2 硬件设计

系统的硬件电路[2]包括称重传感器模块、A/D模块，电源模块，MCU Arduion主控芯片模块，SD卡模块等。整套硬件系统除了量筒和称重传感器等设备外，其余模块都在数据采集箱内。如图2所示。

图2 系统连接图

数据采集箱中以Arduion单片机为核心，负责将采集到的数据存在内部的EPPROM芯片和存储模块SD卡内，保证数据的安全和调取，其它模块都与其相连。存储模块的引脚CS、SCK、MOS、MIS通过电路板导线分别连接到单片机的51、52、53、54引脚，用于实现实时数据存储；时钟模块的引脚D、C通过电路板导线连接到单片机的SCL、SDA引脚，负责实现时钟计时；LED显示屏的引脚CLK、MOSI、RE、DC、CS通过电路板导线分别连接到单片机的A0～A4引脚，也可以通过LED显示屏输出端外接显示屏查看单片机的运行信息；D/A转换模块的引脚DAT、CLK通过电路板导线连接到单片机的A12、A13引脚，用于实现信息收集分析，同时D/A转换模块通过传感器输出端经过屏蔽导线连接到称重传感器；继电器模块是一个被指令部件，单片机通过A5引脚连接继电器模块的SIG引脚控制其工作；短信模块外接天线，同时通过URX、UTX引脚经电路板导线与单片机的TXO、RXO引脚相连进行数据交换。如图3所示。

图3 数据采集箱内部图

3 软件设计

Arduino单片机开发环境基于ArduinoIDE，所用编程语言为C++语言，流程如图4所示。

3.1 初始化部分

上电开始先检查SD卡，SIM卡是否准备就绪，如未准备好或不可用，便重启单片机；准备完成后进入排水检测，如果装置内有水，启动排水，将装置内水排空并记录当前高度h1。然后进入程序主循环内。

3.2 程序循环主体

(1)先通过DS3231时钟模块获取时间。当时间变化超过1min时读取高度，记录高度h2，然后计算1min前后的高度差h=h2-h1，便是1min的降水量。然后读取EPPROM0内的数据h3(初始时该数据为0)，然后将h3与h相加，再存入EPPROM0(这样做的好处是使数据掉电后可以保存，若直接存入单片机内掉电后数据会全部清零，影响测量精度)，存入SD卡。然后将h2的值赋予h1，将h2作为下1min的起始值。