基于舵机的双桶自动排水称重式遥测雨量计研制及在庄河地区的应用

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

1 区域水文概况

庄河隶属于大连市，位于辽东半岛东侧中部，东与丹东市毗邻，西与大连普兰店区隔河相望，南与黄海相连。全市属低山丘陵地区，地势由北向南渐低，陆域总面积4086km2。北部群山系千山余脉，海拔皆在200m以上，中部丘陵高坡蜿蜒起伏，土壤肥沃，海拔介于10～200m之间。

庄河市属于温带湿润季风气候区，具有海洋气候特征，四季分明，气候温和，光照充足，降水集中，是大连地区年降水量最为丰沛的县级市，境内多年平均降水量807.2mm，集中在6—9月，占全年的70%～80%；多年平均径流深380.6mm；受地形地势的影响，降水量从北向南逐步递减。降水量的相对充盈，意味着该地区防汛任务的复杂性和严峻性。

2 雨量计介绍

2.1 组成结构

本次雨量计设计主要组成部分有雨量筒、太阳能基板、蓄电池等。雨量筒内部构造为本次设计核心部分，包括漏斗、舵机、导流槽、储水桶、排水管、电磁阀、称重托盘、称重传感器、数据采集箱等部件[1]，具体组成结构见图1。

图1 雨量筒内部构造设计图

2.1.1 舵机说明

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，又叫伺服马达，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等，其安装了一个电位器(或其他角度传感器)检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确地控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确地说是伺服电机[2],其工作原理图见图2。

图2 舵机工作原理图

选择舵机主要考虑输入电压范围、失速转矩和速度。本次雨量计采用的舵机是市面上比较通用的Hitec HS-311伺服电机，属亚微型舵机，其功能强大，稳定可靠，所需电压4～6V，在蓄电池控制范围内，且价格适宜，尤其这种舵机可以利用Arduino这样的微控制器，通过改变脉冲宽度，精确地控制其旋转角度及停留时间，完全符合本次研发的雨量计标准。

2.1.2 数据采集箱的内部结构

数据采集箱是该设备的核心终端，负责控制传输指令，整套设备的大脑单片机就藏身于此。箱内包含天线、存储模块、短信模块、时钟模块、LED显示屏、单片机、A/D转换模块、继电器模块、电源稳压模块；外连端口有称重传感器输出端、LED显示屏输出端、舵机输出端、电磁阀控制输出端、电源保险丝、直流电源输入端等[3]。各模块具体连接情况见图3。

图3 数据采集箱内部构造设计图

2.2 雨量计运行原理

2.2.1 运行原理

本雨量计采用两套完全相同且相互独立的测量装置，包括两个储水桶、两个称重传感器、两套排水系统。具体描述为雨量筒内的漏斗下连进水管，进水管伸到导流槽上方，导流槽和舵机共用1个轴心，固定在雨量筒内，目的是使舵机可以带动导流槽，控制其左右倾斜，使雨水可以进入相应的储水桶。用于盛水的两个储水桶固定在各自称重托盘上，称重托盘下连称重传感器。每个储水桶外侧都连有1个排水管，两个电磁阀分别安装在各的自排水管上，负责控制排水。

正常运行时从雨量筒收集到的雨水经漏斗、进水管、导流槽进入一侧储水桶内，由称重传感器称出重量，数据采集处箱将称出的雨水重量换算成20cm口径雨量计降水高度，以分钟计算存储。当一侧储水桶水位达到预设警戒水位时，舵机得到数据采集箱指令带动导流槽翻向另一侧，切换到另一侧储水桶进行测量，同时，将达到警戒水位一侧的储水桶的电磁阀打开，将水排除桶外，如此循环测量。

测量结束后，采集的雨量数据会分别存储到Arduino 微控制器内部的EEPROM芯片内和存储模块中的SD卡内，EEPROM内的数据是可供短信远程调取的短期数据，SD卡内的数据是可以通过计算机读取的长期详细数据。同时，也可以利用短信模块中的手机卡，采用GPRS传输方式将信息传输到电脑、手机平台，供用户使用[4]。

2.2.2 供电原理

本次设计的雨量计可用市电做电源，也可用太阳能做电源。当采用太阳能供电方式时，12V的蓄电池对其整个设备供电，太阳能基板负责对其充电，这样可以有稳定的电源输出。蓄电池通过导线接入到数据采集箱的直流电源输入端，接入电源稳压模块，同时通过继电器给电磁阀供电，电源稳压模块通过降压、稳压、滤波后给存储模块、短信模块、时钟模块、LED显示屏、单片机和A/D转换模块等供电。

3 数据对比分析

分别对安装该雨量计的14站数据进行了提取，选取2018年最大的一场降雨及汛期(6—9月)降雨，以人工为基准，分别将翻斗式雨量计和本次设计的称重式雨量计与之比较，结果见表1、表2。

表1 2018年8月19—20日场次降雨对比

续表

表2 2018年汛期降雨对比

从表1、表2可以看出，本次设计的基于舵机的双桶自动排水称重式遥测雨量计降雨数据无论是场次降雨还是全年降雨统计都和人工数据十分接近，误差均在3%以内，而且均优于翻斗式雨量计与人工误差比值，符合国家气象仪器中雨量计的设计标准。

4 结 语

基于舵机的双桶自动排水称重式遥测雨量计已在庄河地区运行一年有余，通过对提取的数据进行比较分析，完全可以解决该地区短历时暴雨造成的翻斗式遥测雨量计误差较大问题。今后将在硬件工业设计、系统稳定性、数据无线传输等方面做进一步提升研究。꿲