一种基于压力传感器的雨量测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于压力传感器的雨量测量系统。

背景技术：

在一定时间内，降落到地面上的无渗漏、蒸发、流失水层深度，叫做降雨量。雨量是气象六要素之一，可以衡量一个地区的降水量。降水量的多少影响着人类的生产和生活的方方面面。降水过多，会带来洪涝灾害、泥石流等自然灾害。降水过少，就会容易引起干旱，给人们的经济造成损失。因此，加强雨量的预报和测量，提高预警能力对于减少自然灾害带来的经济损失有着重要的作用。

现有的雨量传感器主要有翻斗式、虹吸式、称重式等，随着传感技术和计算技术的发展，还研发出了光学式、超声式等各种类型的雨量计。但是都存在一定的缺陷，翻斗式雨量计测量精度受雨强影响太大，雨强越大，误差越大。虹吸式不能自动观测，不能满足现代测量的要求。超声式由于超声波受外界环境影响比较大，导致测量精度差。本发明是采用的压力传感器，通过将雨水的冲击力和持续时间和雨量大小联系起来，实现雨量的测量。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种测量精度高，稳定性好，可实时存储显示数据的基于压力传感器的雨量测量系统。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种基于压力传感器的雨量测量系统，系统包括压力传感器、信号处理、ad转换、测温模块、主控制器、无线传输模块，压力传感器将采集到的雨量压力信号转化为电压信号，电压信号经信号处理单元放大滤波，再经ad转换后，送入主控制器计算处理，计算雨量后通过无线传输到计算机中进行存储和显示。本发明通过压力传感器将降雨量转化为电压量，不需要进行雨量的物理收集，可避免因雨量蒸发、溢出、堵塞等问题造成的误差，提高测量精度。

所述的测温模块压力传感器温度进行测量，数据送到主控制器中，实时对雨量数据进行补偿，本发明通过增加测温模块，实时测量压力传感器工作时的温度，传输到主控制器中实时补偿，降低传感器因温度产生的误差，进一步提高测量精度。

所述主控制器芯片是stm32f103系列，stm32f103系列芯片是一款基于armcortex-m3内核的处理芯片，具有128kb的flash存储器以及20kb的内嵌sram，主频最高可达72mhz，所有型号的器件都包含2个12位的adc，方便进行ad转换，还包含标准先进的通信接口，可以满足与终端上位机进行实时通信。其数据处理能力强大、功耗较低，能够满本设计的使用要求。

所述的无线传输模块是nrf905，所述模块通过spi接口跟主控制器相连；nrf90是nordic公司设计的一款体积小，性能好，工作稳定，抗干扰性强，通讯稳定的产品。该芯片是内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，很适合在低功耗，低成本的系统中使用。

所述的信号处理单元是差分放大电路。

所述的测温模块包括热敏元件和测温电路，测温电路驱动热敏元件，将其监测到的温度变化的电阻信号转换成电压信号，再进行数模转换，送入主控制器进行分析处理。具体补偿方法是：通过一系列的试验，可以定量的计算出压力传感器在不同温度下的漂移量，然后把计算好的值放入主控制器中，当实际进行测量时，主控制器就会调用该值进行自动补偿。

在软件中建立模型，雨量测量中压力传感器转化的电压大小不仅和承受压力，并且还和降雨所持续的时间相关，在某一时刻，以相同的时间间隔进行采样，采样产生不同的电压值，该电压值和雨量建立模型，可以计算出雨量。考虑电压信号和雨量属于非线性关系，选用bp神经网络算法进行建模，bp神经网络具有很强的非线性映射能力，高度自学习和自适应能力，而且还有一定的容错性，因此可以选用bp实现雨量的计算。

所述的测温电路为恒流源电路。

所述的热敏元件为pt100。

有益效果：本发明所述的一种基于压力传感器的雨量测量系统，与现有技术相比，具有以下优点：

(1)系统采用压力传感器将降雨量转化为电压量，不需要进行雨量的物理收集，可以解决雨量蒸发、溢出、堵塞等问题，增加了测量精度。

(2)本设计增加测温模块，实时测量压力传感器工作时的温度，传输到主控制器中实时补偿，降低传感器因温度产生的误差，增加了测量精度。

(3)通过将雨量测量转化为冲击力大小和持续时间，使用bp神经网络算法进行建模，计算出雨量，bp算法具有很强的非线性映射能力，使得测量结果更加稳定可靠。

(4)系统设计采用压力传感器，相对于传统的雨量计，性能更加稳定可靠，抗外界干扰能力强，更能适用于强降雨等极端天气。

(5)装置除了主要的测量对象以外，预留有足够的其他类型传感器接口，使用人员能根据实际需要安装相应的传感器检测其他类要素。

附图说明

图1为本系统结构框图；

图2为本数据处理流程图；

图3为本发明bp神经网络结构图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐明本发明。

本发明设计的是一种基于压力传感器的雨量测量系统，系统包括压力传感器、信号处理、ad转换、测温模块、主控制器、无线传输模块，压力传感器将采集到的雨量压力信号转化为电压信号，电压信号经信号处理单元放大滤波，再经ad转换后，送入主控制器计算处理，计算雨量后通过无线传输到计算机中进行存储和显示。所述的测温模块压力传感器温度进行测量，数据送到主控制器中，实时对雨量数据进行补偿。所述主控制器芯片是stm32f103系列。所述的无线传输模块是nrf905，所述模块通过spi接口跟主控制器相连。所述的信号处理单元是差分放大电路。所述的测温模块包括热敏元件和测温电路，测温电路驱动热敏元件，将其监测到的温度变化的电阻信号转换成电压信号，再进行数模转换，送入主控制器进行分析处理。所述的测温电路为恒流源电路。所述的热敏元件为pt100。

压力传感器是利用应变片在承受压力时产生形变，使得应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化，但通常应变片在受力时产生的阻值变化比较小，很难让主控制器识别到，所以应变片都组成应变电桥，通过后续的信号处理单元放大后，再传输给ad转换器和主控制器进行处理。压力传感器的材料有很多，如电阻应变片压力传感器，压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等，但应用最广泛的还是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度，因此本申请也是采用压阻式压力传感器。压力传感器上方有钢盖连接，承受雨滴降落的压力，避免压力传感器被雨滴长时间击打而损坏和腐蚀。

实施例1

具体测量过程介绍如下：

如图1所示，当降雨发生时，雨滴降落在压力传感器上方的钢盖上面，产生冲击力，压力传感器的应变片产生形变，将电阻变化量转化为电压的变化量；压力传感器得到的电压信号通过信号处理单元的放大处理、滤波电路分别进行信号的放大、滤波，放大成主控制器能够识别的信号，进入ad转换模块进行模数转换；

同时，测温模块的敏感元件pt100,也实时测量压力传感器工作的温度，并通过测温电路转换为电压信号，送到ad转换模块进行模数转换，对电压信号进行补偿；

ad转换模块将模拟量转化为数字量，送入主控制器进行处理，主控制器通过软件建模，生成电压和雨量的函数，将电压量映射到雨量，同时通过测量的温度信息，对雨量进行自动补偿，得到最终的雨量值，通过无线传输模块nrf905，传输到终端上位机上进行显示和存储，便于用户进行实时查阅和后期的数据处理。

具体补偿方法是：通过一系列的试验，可以定量的计算出压力传感器在不同温度下的漂移量，然后把计算好的值放入主控制器中，当实际进行测量时，主控制器就会调用该值进行自动补偿。

图2所示是数据处理流程图，软件控制部分是通过模数转换采集到的电压值，通过bp神经网络算法，将电压值和雨量联系起来，通过电压值计算出雨量值，最后将计算数据通过无线传输模块送给上位机软件进行显示和存储。

bp神经网络属于典型的单向传播误差修正多层前向网络算法，是一种神经网络应用广泛的算法，结构是由输入层、隐含层、输出层组成。bp法主要是利用梯度最速下降法，各个权值沿着误差函数的负梯度方向改变，使得误差组件缩小，最终逐渐逼近真实曲线。如图3所示为bp神经网络结构图。

根据输入参量和待测目标参量个数，可以确定输入神经元为一个，输出神经元为一个，在bp神经网络雨量特性模型中，其隐含层的神经元输出表示为：

在式中，输入向量p＝[p1,p2,p3,l,pn]^t，输出向量a＝[a1,a2,a3,l,as]^t，偏置向量b＝[b1,b2,b3,l,bs]^t，权值矩阵其中，f为传递函数，同层和不同层之间都可以有着不同的传递函数。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。