基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統(tǒng)設(shè)計

3 軟件設(shè)計
圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。單片機(jī)通過檢測是否按下K1來決定是否發(fā)射超聲波。首先發(fā)射參考波形，通過計數(shù)器計數(shù)，以計算實時速度，并存儲。然后再發(fā)射超聲波，進(jìn)行來回時間的計算，以判斷液面高度是否已超出量程范圍。如果超出范圍，則報警并開啟或關(guān)閉閥門，否則進(jìn)行連續(xù)10次的調(diào)用，并且取平均值。最后通過其他各環(huán)節(jié)的顯示、存儲或者處理。

4 誤差分析及校準(zhǔn)
在測量雨量液位的過程中，會因外界的因素帶來各種誤差，如環(huán)境變化帶來的聲速變化、超聲波回波聲強(qiáng)的影響、數(shù)據(jù)處理時的誤差等。下面就這些問題給出部分解決方案。
4．1 聲速誤差
溫度影響是其中最重要的誤差因素。使用實測溫度法不需要增加如溫度傳感器等硬件，利用在桶內(nèi)下方安裝的擋板(距離已知)，實測超聲波聲速。測量的雨量液位上方的介質(zhì)性質(zhì)相同，故聲速也一樣。參考兩者的返回時間，即可利用單片機(jī)測量出雨量液位。該方法的誤差很小，不會因為溫度、濕度、氣壓等給系統(tǒng)帶來誤差。
4．2 過零誤差
回波的聲強(qiáng)與探頭距液位的遠(yuǎn)近有關(guān)系，實際測量雨量液位時可能不是第一個回波的過零點觸發(fā)，這種誤差不能完全消除，但可以根據(jù)障礙物的距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)及調(diào)整動態(tài)比較電壓來減小誤差。另一方面，將求距離公式后加一個補(bǔ)償計時誤差也可減小該誤差。
4．3 觸發(fā)誤差
由于信號在傳輸過程中要經(jīng)過放大整形等信號處理環(huán)節(jié)，門控產(chǎn)生“開、關(guān)門脈沖”，受噪聲信號的影響，使得觸發(fā)時間帶來隨機(jī)誤差。觸發(fā)信號越平坦，則誤差越小，故采用矩形波脈沖觸發(fā)。
4．4 其他誤差
作為液位器考慮到水泡、波浪等狀況的干擾，會造成超聲波的散射現(xiàn)象，通過對單片機(jī)的控制進(jìn)行延遲提高抗干擾能力。另外對于數(shù)據(jù)誤差等，可以通過提高時鐘頻率和提高超聲波換能器的固有頻率等來減少。超聲波自身也會受到干擾，可以注意印制板走線，注意屏蔽。另外，超聲波傳感器需要通過同軸電纜與電路相連。
此外可以通過軟件方法，如數(shù)字均值濾波和相關(guān)濾波來抑制隨機(jī)噪聲。

5 注意事項
在安裝超聲波傳感器的時候，還應(yīng)該注意以下幾點：
(1)測量傳感器到底部的距離一定要精確；
(2)為了防止吸收率太高造成的影響可選用量程稍大的換能器；
(3)安裝換能器的位置要與雨水入口有一定的距離，以防干擾超聲波的測量；
(4)換能器到控制電路之間的連接可以使用同軸電纜。

6 結(jié)語
該系統(tǒng)具有很高精度，而且節(jié)約硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。與溫度補(bǔ)償相比，該系統(tǒng)利用實時測量的方法，使得測量更為準(zhǔn)確、方便。經(jīng)過分析，誤差滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)可以在惡劣的天氣條件下提供較高精度的雨量液位測量，適用范圍廣，是未來儀表的發(fā)展趨勢。