新型液滴式雨量检测与计量装置实现

　　1　液滴体积测量原理

　　液滴经承雨器从毛细管上部缓慢流下时,在管端形成稳定的液滴。当液滴重量大于管周边的液体表面张力时,液滴在管端收缩,而后断裂。断裂后的液滴垂直下落,从电容的两个极板之间通过,电容的变化量是一个pF级的微弱信号。测量微小电容变化量的检测方法有许多,我们选用美国MAXIM公司生产的MAX038芯片构成函数发生器振荡电路,用脉冲数定时测频法:记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Nx,则待测频率为Fx=Nx/Tc,将电容的变化量ΔCi→Δfi→ΔNi转换成计数脉冲的变化。

　　MAX038是一个高频率、精确的信号发生器,用最少的外围元件就可以产生精确的高频三角波、正弦波、方波。通过一个内置2.5V的参考电压和外围的电阻、电容元件,可使它的输出频率在0.1Hz到20MHz内变化。其输出频率由下式给出:

　　I是MAX038电流输入端电流,可置为常量。CF为外接电容。

　　若采用平行极板电容,忽略边界效应,且假设水滴在平行极板内部时,其位置变化对电容没有影响,水滴的存在改变了极板电容的大小,将水滴等效为厚度为D的长方体,水的存在,相当于给极板的厚度增加了D,同时将极板间的距离减小了D。变化后的极板电容为:

　　因为频率F=N/T,N为所计脉冲个数,则

　　F₀,C₀为无液滴经过时对应的频率和电容;

　　F₁,C₁为有液滴经过时对应的频率和电容。

　　因此液滴的体积公式

　　即液滴体积理论上与电容的相对变化,与引起的频率变化,与一定时间内的脉冲相对变化成线性关系。因此我们在电容传感器的上下放置两个垂直重叠的位置传感器,如图1所示。由两个位置传感器检测液滴经过电容传感器的起止时间及时间差。有液滴经过与无液滴经过两状态下电容传感器的输出由MAX038转换为频率变化,并由微处理器μPSD3251控制频率计数器对频率脉冲计数,并将该计数值转化为等时间比率下的相对变化值,用该相对变化值计算出对应液滴的体积。

　　2　软硬件实现

　　由于电容液滴传感器的初始电容量很小,被测基频很高,高于(5MHz),而且液滴经过时的电容变化量更小,以纯水为测量对象,液滴通过时振荡器输出频率的变化约为l00kHz。因此液滴电容传感器的处理电路必须尽量减小和消除电缆电容、寄生电容等的影响,需要高精度的频率计数电路。

　　选用μPSD3251为微控制器(MCU),它有双Flash存储器和SRAM,许多外设接口,可编程逻辑(DPLD,CPLD),以及JTAG在系统编程(ISP)。带两个标准异步通讯口,三个16位定时/计数器和两个外部中断,内置WDT。如图3所示用一个芯片即可实现频率的测量和数据处理。在μPSD3251的XTALI和XTAL2之间跨接22MHz晶体振荡器和微调电容,形成一个稳定的自激振荡器,构成时钟电路。RESET引脚外接电阻电容,实现上电自动复位。