太陽(yáng)能供電-水位-降雨量測(cè)試系統(tǒng)-結(jié)題報(bào)告

1、-. z 工程091048928長(zhǎng)江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案結(jié)題報(bào)告工程名稱 低本錢太陽(yáng)能供電降雨量-水位監(jiān)測(cè)裝置 負(fù) 責(zé) 人 周游 學(xué) 號(hào)院系專業(yè)聯(lián)系電子信箱指導(dǎo)教師 聯(lián)系長(zhǎng)江大學(xué)教務(wù)處低本錢太陽(yáng)能供電降雨量-水位監(jiān)測(cè)裝置結(jié)題報(bào)告工程研究背景工業(yè)革命以來(lái)人類活動(dòng)，包括傳統(tǒng)化石燃料的大規(guī)模使用引起大氣溫室氣體濃度大幅增加，溫室效應(yīng)增強(qiáng),從而引起全球氣候變暖，并造成各地氣候變化加劇，極端氣候出現(xiàn)頻率大幅增加。因此，利用以太陽(yáng)能為代表的清潔能源替代化石燃料已成為一種重要趨勢(shì)；而研究低能耗的氣象信息監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)用于極端氣候的預(yù)警也是十分有意義的工作。近年來(lái)，氣候變化對(duì)我國(guó)造成越來(lái)越大的影響。其中一些

2、極端的天氣氣候更是造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2021年5月份-6月份，80多個(gè)縣市遭遇強(qiáng)降雨襲擊，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。其大局部山區(qū)因地處東亞季風(fēng)區(qū)，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，特殊氣候條件和降水時(shí)空分布不均，極易形成局部強(qiáng)降雨，導(dǎo)致山洪災(zāi)害頻發(fā)。較大密度布局自動(dòng)的降雨量-水位測(cè)量裝置，可以有效的獲取小圍復(fù)雜氣象區(qū)域?qū)崟r(shí)水文信息，并實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，減少損失。今年四五月份，、等廣區(qū)遭受嚴(yán)重干旱，洞庭湖區(qū)面積大幅縮減，有演變?yōu)榇蟛菰内厔?shì)。6月下旬卻又突發(fā)暴雨，旱澇急轉(zhuǎn)，河庫(kù)水位暴漲，城市嚴(yán)重澇。對(duì)此，在容易遭遇旱災(zāi)洪災(zāi)的地區(qū)使用降雨量-河庫(kù)水位監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)的獲取主要河流湖泊以及水庫(kù)的水文信

3、息，為防洪抗旱的資源調(diào)度提供重要資料。二、課題研究的目的及意義國(guó)傳統(tǒng)的水文觀測(cè)站的數(shù)據(jù)多采用人工采集的方式，這種方式涉及到測(cè)量者的人身平安問(wèn)題，而且數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性不高。對(duì)于氣候多變的山區(qū)，由于缺乏電力供給且觀測(cè)站點(diǎn)建造維持本錢較高，難以較大密度的進(jìn)展監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局，故而不能獲得比擬全面的水文氣象信息，對(duì)于突發(fā)的山洪、泥石流等災(zāi)害難以作出有效的預(yù)警。因此研究一種低能耗、實(shí)時(shí)、廉價(jià)的降雨量-水位測(cè)試系統(tǒng)，能夠改變傳統(tǒng)工作模式，有利于提升防汛抗旱減災(zāi)水平，促進(jìn)水利信息化的開(kāi)展，減少山洪災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、低本錢降雨量-水位監(jiān)測(cè)單元，對(duì)于國(guó)家建立實(shí)時(shí)、高效的水文水利監(jiān)

4、測(cè)系統(tǒng)和氣象災(zāi)害預(yù)警網(wǎng)絡(luò)有著重要意義。本工程主要從低能耗、低本錢、實(shí)時(shí)采集的思路出發(fā)；通過(guò)單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)總體控制，利用常用的運(yùn)算放大器芯片，用太陽(yáng)能自動(dòng)供電的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量供給，完成降雨量和水位等數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集。三、同類課題研究情況目前，利用單片機(jī)為控制核心的降雨量-水位測(cè)試系統(tǒng)已有一定量的研究，其中的一些已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，并取得了較好的效果，一般呈現(xiàn)出一下一些特點(diǎn)：1、測(cè)水位的裝置多數(shù)置于水中易受干擾，另外也有一局部使用了激光測(cè)距準(zhǔn)確度好但造價(jià)較高或超聲測(cè)距本錢適中，精度符合要求；2、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)由單片機(jī)接收并發(fā)送到總機(jī)是此類實(shí)驗(yàn)研究的難點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮，在1-

5、3Km的間隔使用頂點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)接收裝置接收臨近裝置測(cè)得的降雨量數(shù)據(jù)，而后轉(zhuǎn)接到公網(wǎng)是比擬可行的方案。本研究試圖從廉價(jià)、實(shí)用的角度出發(fā)，應(yīng)用廉價(jià)的電子電路芯片和外圍元件，制作出應(yīng)用盡量少的電路元件完成系統(tǒng)的太陽(yáng)能供電、模擬信號(hào)的測(cè)量，數(shù)字信號(hào)的采集與傳輸?shù)慕涤炅?水位測(cè)試系統(tǒng)。四、研究的思路及方案4.1 設(shè)計(jì)思想 1量筒的制作 傳統(tǒng)雨量計(jì)，主要有翻斗式雨量計(jì)和虹吸式雨量計(jì)兩種。其工作原理為：雨水由最上端的承水口進(jìn)入承水器，落入接水漏斗，經(jīng)漏斗口流入翻斗，當(dāng)積水量到達(dá)一定高度比方0.1毫米時(shí)，翻斗失去平衡翻倒。而每一次翻斗傾倒，都使開(kāi)關(guān)接通電路，向記錄器輸送一個(gè)脈沖信號(hào)，記錄器控制自記筆將雨量記錄

6、下來(lái)，如此往復(fù)即可將降雨過(guò)程測(cè)量下來(lái)。虹吸式雨量計(jì)是自動(dòng)記錄液態(tài)降水物的數(shù)量、強(qiáng)度變化和起止時(shí)間的儀器。由承雨器、虹吸、自記和外殼四個(gè)局部組成。在承雨器下有一浮子室，室裝一浮子與上面的自記筆尖相聯(lián)。雨水流入筒，浮子隨之上升，同時(shí)帶動(dòng)浮子桿上的自記筆上抬，在轉(zhuǎn)動(dòng)鐘筒的自記紙上繪出一條隨時(shí)間變化的降水量上升曲線。當(dāng)浮子室的水位到達(dá)虹吸管的頂部時(shí)，虹吸管便將浮子室的雨水在短時(shí)間迅速排出而完成一次虹吸。虹吸一次，雨量為10毫米。如果降水現(xiàn)象繼續(xù)，則又重復(fù)上述過(guò)程。最后可以看出一次降水過(guò)程的強(qiáng)度變化、起止時(shí)間，并算出降水量。 兩種雨量計(jì)的降雨強(qiáng)度記錄圍0.01mm/min4mm/min。兩種雨量計(jì)都涉及

7、到一些機(jī)械式的構(gòu)造翻斗式雨量計(jì)的翻斗，虹吸式的浮子、虹吸管和記錄筆等等。本工程中制作的降雨量測(cè)試系統(tǒng)不涉及任何機(jī)械構(gòu)造，直接使用串聯(lián)電阻量筒和運(yùn)算放大器采集降雨量信號(hào)，方案使用常閉式電磁閥控制排水，可靠性更高。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅為演示作用，每次測(cè)8mm的降雨量排水一次以年降雨量800mm計(jì)，則每年大約需要約100次的排水，最小分度為0.5毫米。降雨量模擬信號(hào)的取得 獲取降雨量的信息的關(guān)鍵是獲取隨量筒中水位線性變化的差分輸入信號(hào)。通過(guò)設(shè)置兩條差分輸入通路：1、使用一較大的電阻獲得恒定的工作電流微安量級(jí)，2、一條支路設(shè)置一個(gè)恒定阻值的小電阻，另一條中接入附帶有串聯(lián)電阻的量筒 3、將兩條信號(hào)線直接引入運(yùn)

8、算放大器，獲得放大后的差分輸入信號(hào)。此電壓信號(hào)與采集到的降雨量成正比。水位測(cè)試超聲波發(fā)射器向*一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)場(chǎng)計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停頓計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即： s=340t/2 可考慮單片機(jī)控制設(shè)定三種測(cè)距模式：初始化時(shí)，選擇一種測(cè)距模式，并且輸入基準(zhǔn)位置相對(duì)測(cè)距裝置的高度值H?？蓳Q算得到水位值：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào) 對(duì)于降雨量缺乏8mm的情形，需要用AD轉(zhuǎn)換芯片將剩余降雨量的模擬信號(hào)電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)值并且通過(guò)存放器傳給

9、單片機(jī)，而后由單片機(jī)發(fā)出電脈沖控制電磁閥排空剩余雨水。模擬-數(shù)字AD轉(zhuǎn)換芯片與存放器芯片的選取尚有一定問(wèn)題，且其與單片機(jī)通信的編程需要一定的時(shí)間和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言根底，因此尚未完成。太陽(yáng)能電池充電系統(tǒng) 使用常用的電壓比擬器芯片LM324和場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)完成自動(dòng)充電方案。由于缺少適宜的場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)，僅使用LED燈進(jìn)展原理性演示。數(shù)據(jù)傳輸與單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)采用宏晶公司的STC系列單片機(jī)。方案使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)總體控制，完成數(shù)據(jù)的采集和傳送，工作時(shí)序控制等工作，由于時(shí)間有限，僅利用參考的超聲波收發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)了距離測(cè)量。方案采用無(wú)線方式傳送數(shù)據(jù)，但涉及到較為復(fù)雜的硬件接口和軟件編程問(wèn)題，暫時(shí)尚未解決。 五、主要研究容

10、5.1 單片機(jī)技術(shù)單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其應(yīng)用十分廣泛，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)展，已經(jīng)變得比擬成熟。單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。單片機(jī)小巧、靈活、集成度高、價(jià)格低、易產(chǎn)

11、品化，能方便地組裝成各種智能式控制器和儀器，做到機(jī)電一體化：?jiǎn)纹瑱C(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、IO口的邏輯操作及處理功能，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而可以獲得最正確的性能價(jià)格比。本工程方案使用8051單片機(jī)作為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和總體控制。5.2 幾種常用的集成電路芯片和電子元件本實(shí)驗(yàn)中主要用到的集成電路芯片是：低噪聲運(yùn)算放大器AD743；電壓比擬器LM324；NPN三極管S9013用于制作非門；LED燈用于示意充電方案時(shí)開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。5.3太陽(yáng)能電池的自動(dòng)充電裝置 通過(guò)比擬器比擬太陽(yáng)能電池的電壓(V solar)和蓄電池組的電壓(V power)，輸出控制信

12、號(hào)，控制開(kāi)關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)充電和工作兩種狀態(tài)之間的切換。 考慮利用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管做電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)源漏電壓為高電壓時(shí)5V時(shí)，S-D導(dǎo)通；當(dāng)源漏電壓為高電壓時(shí)0V，S-D斷開(kāi)。先使用LED燈模擬開(kāi)關(guān)的通斷情況，只需將各燈換成場(chǎng)效應(yīng)管，即可完成充電和工作。由此決定了該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，只有在晚上或不充足陰雨天的情況下才能正常工作，在充足的白天進(jìn)入充電模式。而測(cè)水位的工作只能在晚上進(jìn)展。因此需要在單片機(jī)里面做好定時(shí)器對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)展控制。5.4 降雨量-水位測(cè)試系統(tǒng)：1超聲波發(fā)射-接收電路原理圖降雨量測(cè)試電路圖應(yīng)用差分信號(hào)放大電路，實(shí)現(xiàn)了降雨量模擬信號(hào)的獲取：測(cè)量結(jié)果(信號(hào)電壓和被短路電阻個(gè)數(shù)之間的關(guān)系)：3該系統(tǒng)采用的單片機(jī)是宏晶公司的STC89系列單片機(jī)，其原理圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)原理圖六、創(chuàng)新點(diǎn)1與傳統(tǒng)的降水量測(cè)試裝置不同，本裝置提出了一種直接獲取模擬電壓信號(hào)的降水量測(cè)試方法。綜合利用單片機(jī)技術(shù)、超聲測(cè)距技術(shù)并利用小型運(yùn)算放大器提出了水位、降雨量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方案，并得到了隨降水量變化模擬電學(xué)信號(hào)。2利用松香絕緣特性和減小水的外表力的特性，可制作出用于測(cè)量水位的量筒。提出了太陽(yáng)能電池的自動(dòng)充電方案。3造價(jià)低廉，可較大密度布局實(shí)現(xiàn)局部氣候復(fù)雜地區(qū)的水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。4使用太陽(yáng)能供電，符合低碳環(huán)保的主題，實(shí)用性強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 1、符合國(guó)家近年來(lái)加強(qiáng)