基于STM32 可在线监测传感器状态的翻斗雨量计

段培法，张 璇，赵 宇，高振翔，王晓彬

（1.徐州市气象局，江苏徐州 221000；2.宿迁市气象局，江苏宿迁 223800）

随着气候变化和城市化进程的不断发展，由于暴雨导致的城市内涝对城市交通、社会经济等带来越来越大的影响。降水量的强弱同样对农业生产具有重要的影响，降水过多会导致城市内涝、农田渍涝、滑坡、泥石流等自然灾害，给农业生产造成巨大的经济损失，而降水过少则会增加生活用水、农田灌溉用水负担等［1］。因此，针对雨量的监测，农业、气象、水利等各部门都极为关注。

气象部门通过雨量传感器来监测降水量和降雨强度，目前作为业务使用的有翻斗式雨量传感器和称重式雨量传感器［2，3］。翻斗式雨量传感器作为降水量的测量仪器，需要具备不易损坏的特点［4］。当传感器损坏时，需要及时监测雨量传感器的故障信息，从而进行维护。但由于多数雨量传感器都分布在野外，不易发现其故障状态，所以在线监测雨量传感器的故障状态信息变得尤其重要。目前，翻斗式雨量传感器均使用常开式干簧管作为开关元件来采集雨量信息［5，6］，当干簧管及相关测量电路出现断路故障时，无法及时发现，影响雨量测量。原有的常开式雨量传感器由于一直处于断路状态，即使传感器或数据线损坏，采集器也无法检测到，不利于对雨量传感器的远程监控。特别是对于远离台站的区域气象站，当出现局部地区有降水时，由于干簧管损坏，此时，值班人员则会认为该区域无降水，传感器损坏将长时间无法发现、也不容易发现。

通过开发一套可在线监测传感器状态的翻斗雨量计，利用故障状态检测模块可以及时监测到翻斗式雨量传感器工作状态的好坏，从而实现雨量传感器在线监测。

1 系统结构

可在线监测传感器状态的翻斗雨量计是为了及时获取雨量传感器的故障信息，从而达到尽快维修的目的，该设计针对原来的翻斗式雨量传感器进行改进，其系统结构如图1 所示，主要涉及干簧管电路的改造以及故障在线监测模块的开发，既能利用原有的采集模块进行雨量采集，同时可以对干簧管状态进行实时监测。

图1 可在线监测传感器状态的翻斗雨量计的系统结构

1.1 干簧管电路改造方案

中国气象站所使用的翻斗式雨量计的干簧管几乎都是常开式，未损坏的常开式干簧管在无降水时处于断开状态，当有雨量时，干簧管就会吸合一次，雨量计计数一次［7，8］，然而干簧管作为核心部位，如果损坏，则有可能一直处于断开状态，此时，即使有降水，采集器采集到的信号仍为0，影响数据的准确性，对于野外及无人值守的气象站，也不容易被发现［9］。

通过对翻斗式雨量传感器的核心部件干簧管及供电线路进行改造，将原先常开式干簧管改为常闭式干簧管，并增加辅助电路部件，从而在输出信号不变的情况下，测量回路始终处于通路，可以对传感器部件持续检测。改造后效果等同于原来的常开式雨量传感器，因此可直接兼容原有的采集器采集雨量数据。

1.2 故障在线监测模块的设计方案

由于中国目前区域站的数量较多，需要对翻斗式雨量传感器进行远程在线故障监测，才更具有研究意义。故障在线监测模块主要包含故障判识模块、电源模块、继电器控制模块、LCD 液晶显示模块、自动站门开关模块等。利用气象站固有的条件，当出现故障后，利用采集器门状态表示干簧管的状态，当门开关信号为1 时，表示干簧管正常，当门开关输出信号为0 时，说明干簧管或信号线路出现了故障。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统原理分析

可在线监测传感器状态的翻斗雨量计将干簧管电路进行改造，输出端在对雨量计数的同时又实现了故障监测，采用常闭式干簧管，同时利用STM32最小系统模块模拟采集器门开关，并将结果输入到采集器门开关状态，从采集器中的门开关状态就可看出干簧管或信号线的故障状态信息，从而实现在线监测的功能。

2.2 干簧管电路改造模块

干簧管改造模块中采用了单刀双掷干簧管，即常闭式干簧管和常开式干簧管并联状态。利用其中的常闭式干簧管电路进行计数，采用1 MΩ 和1 kΩ电阻进行分压，在正常状态时，常闭式干簧管S1 处于闭合状态，输出端输出为高电平，当有计数翻斗翻转计数时，此时干簧管会由S1 拨到S 状态，会有一个瞬间低电平供外部计数器计数。当常闭式干簧管损坏时，则会一直处于常开状态，即S 闭合，则输出信号会一直处于低电平状态，即可被外部电路检测到，从而实现对干簧管自检测。利用单刀双掷干簧管中的常开式干簧管S 作为检测模块，用来检测降水计数干簧管的好坏，其结构如图2 所示。当2 个干簧管的输出信号不同时，说明干簧管正常，当2 个干簧管的输出信号相同时，表明翻斗式雨量传感器的干簧管损坏，如表1 所示。

图2 可在线监测传感器状态的翻斗雨量计干簧管改造电路结构

表1 翻斗式雨量传感器干簧管工作状态

2.3 故障在线监测模块

本设计采用STM32F103RBT6 芯片作为中央处理器，主要用于采集翻斗式雨量传感器的信号及工作状态，因此只需要最小系统便可完成本设计。最小系统主要包括电源电路、控制芯片、时钟控制电路、复位电路、JTAG控制口以及与外围电路相连的接口［10］。利用STM32最小系统判断两条干簧管的状态，继而驱动继电器模块完成故障判断，同时利用液晶显示模块显示出传感器的状态，其实物如图3所示。

图3 故障在线监测模块实物

2.3.1 报警信号电路 为了实现翻斗式雨量传感器的在线监控，以自动气象站中BH6 采集器为例，采集器中的门信号机制：门打开时，门开关处于断路，接到采集器中的2 根线不导通；门关上时，门开关处于短路，接到采集器中的2 根线导通［11，12］。

报警信号电路采用单片机控制5 V 继电器（型号HSR1H-S-5V）通断来模拟自动站门的开关状态，即门开关是否被按压。继电器1 脚和3 脚为常开引脚，4 脚和6 脚为常闭引脚，2 脚接单片机控制口，5脚接5 V 电源。干簧管损坏的信号是通过观测站中采集器的门信号状态进行报警，通过单片机的一个端口控制继电器，进而控制采集器的门信号［13，14］。

门正常是关闭的，因此，继电器1、3 和4、6 输出引脚中，只需用到4 和6 脚。由于单片机I/O 口输出电流太小，不能直接驱动继电器，需要在两者之间加上驱动电路，为了方便直接选用集成驱动芯片ULN2003（图4）。

2.3.2 液晶显示模块 液晶显示模块是以LCD 液晶屏为核心，然后配合相应的控制电路，从而达到输出的目的，其硬件连接如图5 所示。其供电采用5 V电压供电，引脚3 用来控制液晶显示的对比度，其中电阻R5 也可用电位器。

图4 继电器驱动模块

图5 LCD1602 液晶显示模块硬件连接

3 程序设计

单片机选用STM32F103RBT6 芯片作为中央处理器，程序采用C 语言，开发环境为Keil MDK5。首先初始化I/O 口以及LCD1602 液晶显示部分，然后把PB14、PB15 2 个I/O 口设置为内部上拉输入，在While 中判断两个I/O 的高低电平，如图6 所示。在翻斗翻转状态时，PB14 为高电平，PB15 为低电平，未翻转时，PB14 为低电平，PB15 为高电平。程序中用2 个I/O 口输出电平是否相反来判断常闭干簧管电路正常与否。

4 系统测试

在徐州国家基本气象站观测场外西侧安装已经改造后的翻斗式雨量传感器，采用光伏电池板进行采集器的供电，检查设备的可靠性及稳定性，利用CF 存储卡进行数据存储，然后统计几个月的数据情况，与观测场内翻斗式雨量传感器观测数据进行对比观测，同时设置故障，观察监测模块的故障检测能力。经过多场降水检验后，对仪器运行结果进行评估，确保设计出的设备可靠稳定［15］。

改造的雨量计跟观测场内雨量计南北成行，在试验前期，经一段时间数据对比，发现数据的差异有时偏差不大，有时偏差较大，经测试，发现此翻斗式雨量传感器超过误差范围，导致计数不精确，用最新的雨量校准仪对改造的雨量计重新进行校准，然后重新投入使用。

图6 程序流程

统计了2019 年4、5、6 月的在线监测雨量计、原有的翻斗式雨量计和称重式雨量计3 个装置的降水对比数据，如表2 所示，其差异较小，均在0.4 mm 以内，满足业务需求。

5 小结

翻斗式雨量传感器状态的可在线监测装置将原先的常开式干簧管换为常闭式干簧管，同时再增加一条电路，该电路用来检测干簧管或信号线的状态，分析2 条电路输出信号的高低电平，然后利用故障检测模块进行故障判断。当检测装置检测到干簧管或信号线处于损坏状态时，检测装置会触发继电器，此时，单片机就会控制一端口输出一个低电平，从采集器中的门开关状态就可看出干簧管或信号线的故障状态信息，国家站可利用值班业务软件获取门开关状态信息、区域站利用后台监控平台的门开关状态信息就能及时发现报警信号，及时获取雨量计的故障状态，从而实现在线监测的功能。

该装置结构简单，价格低廉，可实现翻斗式雨量传感器的在线实时监测，解决了目前翻斗式雨量传感器干簧管损坏无法及时发现的缺点。经过与国家站的数据对比发现，该装置可及时监测到故障状态信息，且降水的捕获率与目前国家站数据高度一致。

表2 可在线监测传感器状态的翻斗雨量计与国家站雨量传感器对比试验结果 （单位：mm）