0 引言

降水量是衡量一個地區(qū)降水多少的數(shù)據(jù)。它是指從天空降落到地面上的液態(tài)和固態(tài)(經(jīng)融化后)降水，沒有經(jīng)過蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度，單位是毫米。

氣象學(xué)中常有年、月、日、12 h、6 h甚至1 h的降水量，6 h中降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為6 h降水量;24 h 降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為24 h 降水量;……一年中，降下來的雨雪統(tǒng)統(tǒng)融化為水，稱為“年降水量”.單位時間的降水量稱為降水強度，常用mm/h或mm/min為單位。單位時間的雨量稱為雨強。

降水量資料提供了關(guān)于水分資源的依據(jù)，是國民經(jīng)濟建設(shè)、科學(xué)研究各部門，特別是農(nóng)業(yè)、水利部門不可缺少的資料。其觀測方法有人工觀測和儀器自動記錄兩種。本設(shè)計實現(xiàn)了降水量的自動采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，因其具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守的特點，可應(yīng)用于各種氣象觀測站。

1 硬件設(shè)計

1.1 方案設(shè)計的原理框圖

降水量采集系統(tǒng)由降水量傳感器、信號采集器和作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機三部分組成。其組成與原理框圖如圖1所示。

1.2 降水量傳感器

常用的降水量傳感器有翻斗式和虹吸式兩種。本設(shè)計采用的是R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的50202型虹吸式傳感器，該傳感器無活動部件，敏感器件為電容傳感器。傳感器的測量腔體和采集漏斗外部均有保溫和加熱裝置，用于融冰或化雪。雨或雪通過采集漏斗進入測量腔體。測量范圍為0~50 mm,測量精度為±1 mm,輸出信號為0~5.00 V DC,對應(yīng)0~50 mm的液位高度。

進行觀測時，降水通過傳感器的采集漏斗進入測量腔體，使測量腔體內(nèi)的液位高度發(fā)生變化，液位高度的變化值即為觀測時段的降水量。當(dāng)傳感器的液位高度達(dá)到50 mm 時，傳感器自動產(chǎn)生虹吸，虹吸時間為30 s左右，虹吸后，傳感器的液位高度回到零。

1.3 信號采集器

信號采集器由電源模塊和數(shù)據(jù)采集板組成。電源模塊為降水量傳感器和數(shù)據(jù)采集板提供工作電源，數(shù)據(jù)采集板采集測量降水量傳感器的0~5.00 V DC 輸出模擬量信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為液位高數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

數(shù)據(jù)采集板原理圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集板由中央處理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和RS 232 通信接口電路組成。中央處理器采用AVR系列單片機，該系列單片機具有高性能、低功耗的特點，處理器本身集成了10 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和可編程串行通信接口，這使得數(shù)據(jù)采集板的外圍電路更為簡單。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中采用的AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3~+12 V)下提供滿電源幅度的輸出，AD623允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下，AD623被設(shè)置為單位增益;外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1 000倍 .AD623放大器對降水量傳感器輸出的0~5.00 V DC信號進行預(yù)處理，處理后接入中央處理器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，對信號進行讀取。RS 232通信接口電路采用了MAX232芯片，這是一款兼容RS 232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，由于電腦串口RS 232的電平是-10~+10 V,而單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平(0~+5 V)，MAX232 就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的。

CPU 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道讀取到的液位高值再通過RS 232通信接口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端。

1.4 數(shù)據(jù)處理終端

數(shù)據(jù)處理終端為安裝有專用觀測軟件的PC機。專用觀測軟件用來自動統(tǒng)計計算和存儲各時段(分鐘、小時、天、月和年)降水量。作為數(shù)據(jù)處理終端的計算機通過串行接口與信號采集器連接，自動接收來自信號采集器的液位高數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計

2.1 信號采集器軟件

信號采集器軟件由定時器子程序、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序構(gòu)成。該軟件由單片機C語言進行編制，實現(xiàn)了模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道定時讀取，并通過可編程串行接口發(fā)送讀取結(jié)果的功能。信號采集器軟件流程圖如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理終端軟件

數(shù)據(jù)處理終端軟件由獲取本地時間子程序、數(shù)據(jù)接收及奇異值剔除子程序、降水量統(tǒng)計及存儲子程序和降水強度統(tǒng)計及存儲子程序構(gòu)成。該軟件由Qt4 進行編制，實現(xiàn)了觀測地區(qū)降水量統(tǒng)計和降水強度統(tǒng)計的功能。軟件流程圖如圖4所示。

在進行液位高數(shù)據(jù)奇異值剔除時，應(yīng)充分考慮傳感器虹吸、傳感器內(nèi)的積水揮發(fā)等各種不同情況。積水揮發(fā)和傳感器發(fā)生虹吸都會引起液位高度的減小，可將“傳感器的虹吸時間為30 s左右”作為依據(jù)進行區(qū)別判斷，并進行不同的數(shù)據(jù)處理。在進行分鐘、小時、天降水量統(tǒng)計時，采用當(dāng)前液位高度與基準(zhǔn)液位高度進行差值計算的方法進行統(tǒng)計，而不采用分鐘降水量的累計計算的方法。實際應(yīng)用證明該方法可有效消除因傳感器本身誤差和模擬信號轉(zhuǎn)化誤差帶來的累積誤差。

3 結(jié)語

基于以上本方案所設(shè)計的降水量采集系統(tǒng)已于2012年3月在廣東湛江進行了為期一個月的降水量比對試驗。該采集系統(tǒng)維薩拉公司生產(chǎn)的雨量采集器安裝在同一場地，將兩者的采集數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果進行了對比，兩者數(shù)據(jù)基本吻合。從而證實了本方案所設(shè)計的降水量采集系統(tǒng)具備低功耗、高穩(wěn)定性、高精度、可無人值守的特點，可應(yīng)用于各種氣象觀測站。