基于Arduino 的智能雨量计校验系统的设计与研究

2020-11-11吴金玲

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2020年4期

关键词：水阀雨量校验

吴金玲

（沈阳工程学院工程训练中心，辽宁沈阳 110136）

1 系统的总体设计与要求

本雨量计校验系统在整体设计上主要包括用户输入部分、雨量控制（模拟）部分、实时显示部分及故障检测部分等，主要构成如图1所示。

图1 智能雨量计校验系统主要结构

用户可以通过键盘输入所需要的雨量模拟值，液位检测模块负责检测雨量模拟储存箱的液位信息，当雨量模拟储存箱的液位低于最低设定值时，单片机给出相应的控制信号，报警模块启动报警，并在上位机的显示页面上显示相关信息以便提醒用户及时加水；当液位高于设定值时，系统保存当前液位信息。首先单片机接收到用户的输入值后，对数据进行计算处理；然后输出相应的控制信号给电机驱动模块，在驱动电路的作用下，步进电机将带动水阀的开与合，实现雨量模拟，并对系统实时监测；最后给出校验结果，即是否合格。

当用户输入设定的雨量模拟值后，Arduino 单片机通过设定的算法给出校正数字量和相应的阀门开度、放水时间以及液位下降目标值，继而输出控制信号驱动步进电机打开阀门，当达到放水时间时，单片机立刻给出控制信号，随即电机驱动模块驱动步进电机反向运行将阀门关闭。系统对水阀的开合程度进行实时监控，当发现故障时会给出相应的提示与处理。在阀门打开并进行雨量模拟的过程中，系统会记录并统计被检定雨量计的输出信号。在雨量模拟结束之后，系统会显示被检定雨量计的测量值，并对测量结果进行自动校验。

2 系统的主要硬件设计

本文所设计的智能雨量计校验系统的硬件主要包括Arduino UNO 板、液位检测模块、电机驱动模块、显示存储模块及监视报警模块等。

2.1 Arduino UNO 系统简介

该系统使用的是UNO 版本Arduino单片机，以ATmega328 MCU 主控芯片为核心的处理器，具有6 路模拟输入，14 路数字输入/输出口，其中6 路可用于PWM 输出，1 个USB 接口，1 个16 MHz 晶体电路，1 个电源接口，1 个ICSP leader 串行编程端口和1 个复位按钮，可以非常简单、方便地进行各种信号地采集和控制回路的扩展［1］。Arduino UNO单片机实物如图2所示。

图2 Arduino UNO单片机

2.2 液位检测模块

由于雨量模拟储水室要保持足够的水量，所以必须设置液位检测模块，可以随时检测储水室的液位信息。本系统使用的是AJ-SR04M-T-X 超声波测距模块，其理论探测距离为20 cm～800 cm，在保证较高精度时其探测距离为20 cm～250 cm。该模块与外部连接的有4 个引脚：直流电源端VCC、接地端GND、输入启动信号端Trig 及输出测量信号端Echo［2］。将Trig 和Echo 引脚分别接至Arduino系统的数字信号I/O 口8 脚和9 脚。数据采集及处理具体过程如下：

1）Arduino 控制I/O 口8 脚输出1 个大于10 μs的高电平，触发模块发出40 k的超声信号；

2）在超声信号发出时，I/O 口9脚读入1个持续的高电平，直到检测到回波；

3）测量距离=（I/O 口9 脚高电平持续时间*340 m/s）/2。

2.3 步进电机驱动模块

雨量模拟的开始、停止以及模拟雨强大小均需要水阀来控制，而水阀的开启、闭合以及开启程度是需要步进电机来控制的。步进电机可以将电脉冲信号转变为线位移或角位移，能够实现非常精确的定位和速度控制。驱动电路的输入端会一直检测有无脉冲信号，当没有信号的时候，步进电机的转子不动；当输入端接收到脉冲信号时，转子便以固定的角度（称之为步距角）转动［3］，步距角决定了步进电机完成一转所需要的步数，而内部绕组的通电顺序则决定了步进电机的转动方向。

本系统采用的电机驱动芯片是L298N，它是一种驱动能力很强的集成电路，并且体积小、启动性好。其硬件电路如图3 所示，其中续流二极管D1、D2、D3 和D4 构成的“H 桥”作为L298N 的辅助电路，Arduino 单片机控制器通过ENA 对电机进行调速，INT1和INT2分别控制电机的转向与制动。

图3 步进电机驱动电路

3 系统软件设计

3.1 系统总体流程设计

根据国家气象局出台的相关雨量计检定规程，雨量计检定一般设置小雨、中雨和大雨3 种降雨强度［4］，本雨量计校验系统提供小雨（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 种模拟雨强，模拟的雨量大小为10 mm 或30 mm。目前，我国采用的雨量计承水器直径d大小为20 cm，因此雨量大小h为10 mm时，对应的总降水量为

雨量大小为30 mm时，对应的降水量为942 mL。

已知雨量计承水器直径大小为d，雨量大小为h，放水时间为t，可得雨强大小：

水流量大小为

该雨量计校验仪在不同雨强大小（当模拟降雨量为10 mm 和30 mm 时）下的放水时间，分别如表1和表2所示。

表1 模拟降雨量为10 mm时的放水时间

表2 模拟降雨量为30 mm的放水时间

系统的整体检定流程如图4 所示。系统上电后，首先检查水阀和报警灯是否处于关闭状态，如果在开始前水阀未关闭，可能会因为漏水而造成误差，若检测到阀门没有关闭，则发出指令关闭阀门；校验开始前必须确保雨量模拟储水室内的水量充足，因此需要启动液位检测模块，若检测到雨量模拟储水室的水位低于最低设定值，则发出警报，提醒用户及时加水，若检测到水位高于设定值，则保存当前液位值，继续向下执行。用户通过上位机选择所需要模拟的雨强（0.5 mm/min～5.0 mm/min）和降雨量大小（10 mm/30 mm），系统读取到用户所输入的数据后，经过一系列换算得出总放水时间和步进电机的步距角，继而控制步进电机打开阀门并计时，当达到设定的总放水时间时，控制阀门关闭。雨量模拟过程完成以后，系统读取被校验雨量计的输出信号，从而计算出被校验雨量计的误差值，并显示测量值和误差值，同时给出判断结论，即被校验雨量计是否符合国家标准规定的精度要求。

图4 系统总体流程

3.2 步进电机流量控制程序

Arduino UNO 系统读取到用户输入的模拟雨强值后，通过计算，输出相应的控制信号，电动机驱动模块接收到控制信号，便会驱动步进电机正传、反转和停止并控制步距［5］，阀门在步进电机的带动下实线开启和闭合，从而通过不同的开启程度控制水量。具体控制流程如图5所示。

图5 步进电机流量控制流程

系统依据模拟雨量大小h及模拟雨强大小p，计算出相应的总模拟降水量大小vi，进而得到驱动步进电机转动相应的步数Ti，最终使模拟水量均匀地排出。当用户所选择的模拟雨强较大时，步进电机要增加转动步数，阀门开启程度加大，从而加大实时流量，放水时间随之缩短；反之则减少转动步数，阀门开启程度减小，从而减小实时流量，放水时间随之延长。当计数时间达到目标值时，即达到要求“降水量”时，单片机及时驱动步进电机反转，迅速并精确地将水阀关闭。