降雨及沙塵暴報警系統的設計

楊志萌，張凱臨

（中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100）

降雨及沙塵暴天氣對非全天候工作的儀器具有破壞性。尤其在海上平臺或偏遠地區，在無人值守條件下的自動運行的儀器經常會因受到降雨及沙塵暴影響而造成測量結果不準或損壞儀器元件的情況，如各種安裝有光學鏡片等嬌貴元器件的儀器。因此，設計一款能在發生以上天氣情況時及時向非全天候工作的儀器提供保護報警信號的報警儀極為重要。另外，本儀器也可以應用在公路、鐵路沿線易出現地質災害的位置，還可以擴展為陽臺上自動防雨門窗信號的觸發。

1 實現原理

雨滴、沙塵對透過光會產生消光效應，本儀器使用紅外發光二極管作為激勵光源，光敏二極管作為接收器來接收由于降雨及沙塵顆粒引起的光強變化以達到探測是否有降雨或沙塵現象發生，并通過計數一分鐘之內降雨雨滴滴數來判定降雨相對大小，以提供與之相適應的PWM輸出。通過光學透鏡的聚焦原理增大了感雨面積，在保證報警檢測儀在不顯著增加體積的同時，增強了其感應能力。當有雨滴或沙塵顆粒出現在此感知區域時，會使得到達光敏二極管的光強減弱。對于降雨，光強減弱是雨滴沿著光程隨機下落遮擋而產生的，根據雨滴降落到地面時的速度結合系統設計，確定出雨滴引起光路閃爍的頻率，從而通過選取合適帶寬的濾波器來獲取降雨信息；對于沙塵天氣，光強減弱是由空氣中漂浮沙塵顆粒的消光特性而引起，通過模數轉換及合理的設置閾值來及時的判斷是否有沙塵暴天氣產生，以便發出報警信號。

2 硬件設計與實現

本系統主要分為4部分：紅外發射模塊、紅外接收模塊、信號處理模塊、實時顯示及報警信號發生模塊。系統原理框圖如圖1所示。

傳感器輸出為微弱信號，不易于檢測，所以需要對其輸出信號進行放大，選擇合適的放大倍數，使其電壓信號幅度在可測量范圍內[1]。經放大的信號因外界干擾、元器件自身等因素，都會產生噪聲，因此需要經過濾波處理，然后將處理過的信號直接輸入到PIC16F877A[2-3]的AD模塊以及外部計數模塊。

2.1 紅外發射模塊

圖1 系統原理框圖Fig.1 System principle and program

紅外發射模塊的主要元件是紅外發光二極管、透鏡、濾光片、及帶有3 mm寬度狹縫的遮光板。發光二極管利用恒流源驅動電路對其進行驅動（見圖2），以達到二極管發射的光強不隨外界接入電壓波動而產生變化，并延長其使用壽命的作用。為了得到平行的結構光，在發光二極管的前方加入了透鏡，將點光源的發散光轉變成平行光。此平行光透過帶水平狹縫的遮光板而變為厚度為3 mm左右的平行結構光發出。這樣，此光路僅對垂直方向變化的光強明暗靈敏，從而減小了由于其他因素，如飛蟲、落葉等導致的誤判現象的發生，提高了其可靠性。

圖2 恒流源電路Fig.2 Constant-current source circuit

2.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊的主要作用是將發射模塊發射的平行結構光匯聚到光敏二極管的感光面上，從而通過光敏二極管將收到的光信號轉變成電信號傳輸到下一級電路進行處理[4]。其核心元件是一個光敏二極管，并同樣配置一帶水平狹縫的遮光片與一片透鏡來調理光路。由于光敏二極管的感光面積非常小，只有幾平方毫米的大小，因此，使用一片透鏡將接收到的平行結構光匯聚到光敏二極管的感光面上。帶水平狹縫的遮光板在此處起到的作用是只接收由發射模塊發射而來的光源，遮擋住來自其他方向的自然光的進入，避免引起干擾。另外，加入的濾光片只允許特定波長的光通過，從而進一步減少了雜散光源的干擾。

2.3 信號處理模塊

信號處理模塊是此報警儀的核心模塊。它分為兩路，一路對光敏二極管傳送來的電信號進行處理以得到降雨雨滴引起的光閃爍信號，一路對光敏二極管傳送來的電信號進行處理來獲取沙塵天氣發生時的空氣中懸浮沙塵顆粒濃度信息[5]。因為由光敏二極管轉換的電流信號非常微弱，因此，緊接光敏二極管的是一低噪聲的前置放大器。本儀器選擇了光電壓模式接法，并通過相應的放大處理，然后將放大的電壓信號分為兩路。一路通過帶通濾波器來得到雨滴引起的光閃爍信號，并送入pic16f877a中進行一分鐘計數，根據一分鐘降雨雨滴數值來估算降雨強度，進而輸出PMW脈沖電壓信號；另一路通過低通濾波器來去除高頻噪聲，送入單片機的A/D模塊，并通過合理設置閾值來判斷沙塵暴天氣是否發生。

帶通濾波器選通頻率的計算。大部分雨滴到達地面時的下降速度在0.27～9.3 m/s。結合本設計所選遮光板的狹縫孔徑寬度為3 mm，可以計算出上限截止頻率，及下限截止頻率。

對于fmax，將雨滴抽象為直徑為6 mm的球形模型，雨滴遮擋住光路的時間 tmin=6 mm/9.3×103mm/s≈0.66×10－3s （1）

則上限截止頻率

對于fmax，將雨滴抽象為直徑為0.1 mm的球形模型，考慮到遮光板狹縫寬度3 mm，因此，雨滴遮擋住光路的時間

對應的下限截止頻率

因此，將帶通濾波器選擇的帶寬設為為50～1 600 Hz。

設計的帶通濾波器電路部分如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路Fig.3 Band-pass filter circuit

2.4 LCD顯示及報警信號的警報

LCD屏幕用來顯示降雨雨滴滴數和沙塵暴天氣。降雨報警與沙塵報警信號采用指示燈顏色進行區分。如果報警儀判斷為降雨發生，則會通過微控制器控制藍色指示燈亮起；如果判斷為沙塵暴發生則點亮紅色指示燈。在判斷降雨信號或沙塵信號消失15 min后 （時間從1～30 min任意可調）（防止雨停后，其他地方仍有個別存留的雨滴滴入儀器造成損壞），報警儀自動消除報警信號。

3 系統控制軟件設計

根據控制原理，控制程序由AD轉換子程序、外部脈沖計數程序、PWM脈沖輸出以及主程序4個主要部分組成，程序流程，如下圖4所示。主程序初始化過程，包括 IO口的輸入或輸出設定，AD轉換通道設置、外部脈沖計數設定及PWM的初始設置。 AD轉換子程序根據A/D模塊數值并結合設置的閾值來產生沙塵暴天氣報警，主要包含確定AD轉換模擬信號端口，啟動轉換和貯存轉換結果等過程。外部脈沖計數子程序根據單片機計數模塊數值來輸出調制脈沖寬度。主要包括計數器的定時測量，及清零，及PWM寄存器的設置等過程。經多次測試，決定設定當一分鐘內雨滴滴數大于等于200時，設定PWM脈沖占空比為95%，當一分鐘內測到一滴雨滴時，PWM脈沖占空比設定為5%。

軟件選用嵌入式C語言對單片機進行控制，C語言編譯器選擇的是CCS公司的CCS c編譯器，集成開發環境選擇microchip 的 MPLAB[6]。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

4 結果與討論

測試方案分兩部分進行，第一部分是測試報警儀對降雨的檢測。給報警儀通電后，用膠頭滴管滴入一滴自來水時，紅色報警指示燈亮起（此時設置為1滴開始報警），如圖5所示。

圖5 降雨報警Fig.5 Rainfall alarm

說明觸發了降雨報警信號，并且LCD上雨滴滴數的顯示與膠頭滴管滴下的滴數相吻合。改用帶噴嘴的水壺灑水，每次控制灑水的量不同，LCD在每一分鐘內捕捉到雨滴滴數也不同，同一時刻越多的水滴灑下，LCD雨滴滴數越大。測試發現一分鐘內最大達到200滴時，PWM輸出的占空比接近于95%，當一分鐘內有滴時，PWM輸出一個占空比5%的方波。

第二部分是對沙塵暴報警的測試。選取不同的閾值，則可對不同強弱等級的沙塵暴進行報警。根據本儀器對沙塵暴報警的原理，選用一塊透明遮光擋板遮擋光路來達到光路光強減弱的效果。結果如圖6所示。當擋板遮住光路后，紅色報警指示燈亮起。

圖6 沙塵暴報警Fig.6 Sandstorm alarm

當檢測到沙塵暴或降雨停止15 min后，系統自動恢復正常狀態，即下雨計數值為0，綠色指示燈亮起。如圖7所示。整個系統外觀圖如圖8所示。

圖7 無報警信號Fig.7 No alarm signal

圖8 系統外觀Fig.8 System appearance

5 結 論

通過測試，發現本儀器對降雨、沙塵暴反應靈敏，在剛開始下雨時，只要在光路中出現一滴雨滴，儀器即可捕捉到，并發出報警信號。并且輸出的脈沖寬度正比與一分鐘內降雨雨滴滴數，滿足報警器的要求。在對沙塵暴的報警中，只要光路中的光強被沙塵暴遮擋，使光強低于閾值，則會產生沙塵暴報警信號，但閾值的選取還需要結合需要報警的沙塵暴強弱等級進行設定。

[1]松井邦彥.傳感器應用技巧141例[M].梁瑞林，譯.北京：科學出版社，2006.

[2]張明峰.PIC單片機入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]Microchip Technology Inc.PIC16F87XA Data Sheet[EB/OL].[2012-03-15].http://ww1.microchip.com/downloads/en/device doc/39582b.pdf.

[4]錢浚霞，鄭堅立.光電檢測技術[M]．北京：機械工業出版社，1993.

[5]塞爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].劉樹棠，譯.西安：西安交通大學出版社，2009.

[6]Richard Barnett.嵌入式C語言編程與Microchip PIC[M].薛曉東，譯.北京：清華大學出版社，2005.