具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的自动触发和自校准的超声测雨系统包括供电模块降雨监测模块、自校准及雨量测量模块、中央处理模块、水位监测模块和排水模块。

供电模块，用于为整个系统供电；

降雨监测模块，用于监测到降雨并发送降雨信号至中央处理模块；

自校准及雨量测量模块，用于在中央控制模块的控制下，发射超声波信号并接收校准回波信号进行速度自校准，得到校准飞行时间并发送至中央处理模块，用于在中央控制模块的控制下，向雨量桶内的积水面发射超声波信号并接收经积水面反射的测量回波信号进行降雨量测量，得到测量飞行时间并发送至中央处理模块；

中央处理模块，用于接收降雨信号启动水位监测模块和自校准及雨量测量模块工作；用于接收自校准飞行时间和测量飞行时间，经计算得到降雨量数值并以固定格式输出；

水位监测模块，用于对雨量桶内的水位进行监测，超出预定水位高度或水位保持不变超过预定时间均向排水模块发送排水信号；

排水模块，用于接收排水信号，打开排水阀门排空雨量桶内的积水。

下面具体介绍每个模块。

供电模块，系统输入DC12V直流电源，经过DC-DC转换为DC5V，DC12V转DC5V，采用电源芯片MP2359芯片，其电路原理图如图2所示，其输出电流可达1.2A，根据下列公式，按输出电压值的计算反馈电阻的阻值。经过计算，输出5V电压，电阻R2＝9.53KΩ，R4＝49.9KΩ。L1选用4.7uH功率电感，有利提高带载能力。

R2＝R4/{(V_OUT/0.81)-1}

L＝V_OUT×(V_IN-V_OUT)/V_IN×ΔI_L×f_sw

其中，R4、R2为反馈电阻，V_OUT为输出电压，L为输出功率电感，V_in为输入电压，ΔI_L为纹波电流，f_sw为开关频率；

DC5V转换为DC3.3V，本系统采用XC6206P332MR芯片，该芯片为低噪声低压差LDO，其输出电流为200mA，主要提供中央处理模块工作其电路原理图如图3所示，C8、C49、C50为电源的输入和输出滤波电容。

12V电源还提供给超声波驱动电路及自动排水单元，图4为12V的电压控制开关电路，采用光耦TL621隔离和NPN三极管组合，增加开关驱动能力，又能有效的导通和截止12V电源的通和断。当PB12-1为高电平，光耦器件导通，12V电压通过R38使得三极管Q2导通，最后电路输出12V电压，反之截止。

中央处理模块包括：唤醒单元、自校准及雨量测量控制单元和降雨量计算单元；其中，

唤醒单元，用于接收降雨信号启动水位监测模块和自校准及雨量测量模块工作；

自校准及雨量测量控制单元，用于控制自校准及雨量测量模块分别进行自校准及雨量测量；

降雨量计算单元，用于接收自校准飞行时间和测量飞行时间，通过计算得到降雨量数值并以固定格式输出。

中央处理模块，采用SMT32F407芯片，STM32F407控制整个系统的工作逻辑和对测量数据进行计算处理，它具有更先进的内核、更多的资源集、更强的外设功能、更高的性能，最高运行频率可达168Mhz，其极大的提高控制算法的执行速率，功耗仅为238uA/MHz。

自校准及雨量测量模块包括时间测量单元、通道选择单元、自动校准单元和雨量测量单元；其中，

时间测量单元，用于在中央处理模块的控制下产生特定频率的脉冲信号并发送至通道选择单元，用于根据校准回波信号计算得到校准飞行时间t₀并发送至中央处理模块，还用于根据测量回波信号计算得到测量飞行时间t₁并发送至中央处理模块；

本发明采用高精度TDC-GP22时间数字转换芯片进行飞行时间测量，提高测量精度。采用TDC-GP22测量范围2，时间测量分辨率高达22ps。STM32F407通过SPI接口与其进行通信，通过配置TDC-GP22的寄存器可以产生脉冲序列驱动换能器，同时内部产生一个start信号，start信号沿着有固定传播时间的逻辑门形成的传播链进行传播。接收到的回波信号经过放大滤波整形以后触发门限值产生一个stop信号。根据stop信号到来时start信号通过逻辑门的个数就可以求得一次单向传播的时间。会产生许多干扰信号，基于TDC-GP22的第一检波功能，可以有效滤除干扰，而且第一波检测功能可以有效避免错误的零点检测现象的出现，因此飞行时间的精度能得到提高。

假如我们测量距离为140mm，声速为340m/s，那么理想情况下，超声传输距离为0.4117647058823529ms，我们用高精度时间数字转换方法测量时间，时间测量精度可以做到皮秒级，测量精度就大幅度提高，系统测量精度即可小于0.1mm。

TDC-GP22第一波检测功能流程包括：

1)通过脉冲发生器设置比较器offset值，寄存器3中参数DELVAL1的stop屏蔽窗口用于抑制在飞行时间stop到达通道之前时间段内的噪声；

2)TDC-GP22测量在第一个波上升沿和下降沿的时间宽度后，将自动设置offset值为0mV；

3)在寄存器3中分别设置参数DELREL1时间测量的屏蔽窗口；

4)测量并记录第一波宽度和第一个真实时间的半波周期，作为信号强度的衡量依据；

5)TDC-GP22芯片会自动记录参数DELREL1中测量的stop脉冲，计算平均值，可以在寄存器4中读出；

6)若当前不测量，则不会产生stop信号。Offset值会始终保持在检测第一个波所设置的振幅值。

自动校准单元包括第一自校准超声波探头(图1中探头1)、第二自校准超声波探头(图1中探头2)、阻抗变换驱动电路、限幅电路和信号处理电路。其中，

第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头正对设置，距离固定，频率相同，第一自校准超声波探头为发射探头，用于在脉冲信号的控制下发射超声波信号至第二自校准超声波探头；第二自校准超声波探头为接收探头，用于接收得到校准回波信号。

阻抗变换驱动电路，用于接收脉冲信号，经放大、阻抗匹配后发送至第一自校准超声波探头；

限幅电路，用于对第二自校准超声波探头接收的校准回波信号进行幅度限制并输入信号处理电路；

信号处理电路，用于对幅度限制的校准回波信号依次进行滤波和整形处理，并发送至通道选择单元。

雨量测量单元包括第一测量超声波探头(图1中探头3)、第二测量超声波探头(图1中探头4)、阻抗变换驱动电路、限幅电路和信号处理电路，其中，第一测量超声波探头为发射探头，用于在脉冲信号的控制下发射超声波信号至积水面；第二自校准超声波探头为接收探头，用于接收经积水面反射的测量回波信号。

阻抗变换驱动电路，用于接收脉冲信号，经放大、阻抗匹配后发送至第一自校准超声波探头；阻抗变换驱动电路，如图5所示，脉冲信号通过R57后，R58起到限流的作用，R54为限流电阻，必须采用承受功率5W以上的水泥电阻，经过达林顿管TIP122后，信号被放大，再经过高频变压器，变压器匝数比为：16:270。R55起到和换能器匹配的作用，4个IN4148二极管能进行整流，经过变压器放大后，驱动电压可达到110V以上，经过高压驱动，换能器发射超声波。

限幅电路，用于对第二测量超声波探头接收的测量回波信号进行幅度限制并输入信号处理电路；

通道选择单元，用于在中央处理模块的控制下选择自动校准单元和雨量测量单元交替工作，并将接收到的脉冲信号分别发送至自动校准单元和雨量测量单元，用于接收自动校准单元采集的校准回波信号并输入时间测量单元；还用于接收雨量测量单元采集的测量回波信号并输入时间测量单元。通道选择选用CD4052B芯片进行通道的切换，保证在任何时刻只有一对探头处于工作状态，其中一个处于发射状态另一个处于接状态，既校准单元和测量单元分别交替工作。

信号处理电路，用于对幅度限制的测量回波信号依次进行滤波和整形处理，并发送至通道选择单元。

信号处理电路之接收滤波电路如图6所示，采用二阶带通滤波电路设计，采用高精度运算放大器TL082进行设计，中心频率200KHz，带宽10KHz，正负电压供电设计，4脚接-5V，8脚接+5V，接收信号经过R12先进行一次负反馈放大，再通过C11进行隔直，最后通过二阶滤波器电路。

信号处理电路之整形电路，如图7所示，对接收信号进行整形，采用LM293比较器进行设计，当输入电压大于设定电压100mV时，输出5V高电平，小于100mV，则输出0V低电平，其中ZD1起到稳压保护的作用，R17上拉起到加大输出电压的作用。供电为+5V供电。

本系统的具体工作流程包括：

步骤1)电源系统开始供电，系统经过初始化后，中央处理模块进入休眠、雨水监测单元进入工作状态，其他单元休眠状态。

步骤2)自动触发，其工作流程图如图8所示，系统上电后，系统开始即时监测是否降雨，当监测到降雨时，降雨监测模块输出低电平，系统识别降雨信号后，即可启动系统进入工作状态，否则系统属于休眠省电状态。

步骤3)当雨量达到设定值，测量系统进入自动校准和自动测量的正常工作状态，自动校准完成后进入雨量的测量，测量结果会封装成固定格式通过串口进行输出。

具体方法如下：

自动校准，由于超声在空气中传播的速度并不是恒定不变的，会随着环境温度、大气压等参数的改变而改变，是非线性的，因此，要精确测量降雨水位，就需要进行声速校正。

本发明采用双探头声学对射式校正的方法即超声波在固定的距离下进行发射和接收，由于在空气中，相同频率的超声波传播速度相同，只要保证校正超声波探头频率和雨量测量探头频率相同，那么既可以确保雨量测量的准确性。校正探头安装方式如图9，在空气中垂直正对安装，第一自校准超声波探头发射超声波，第二自校准超声波探头接收超声波，垂直距离100mm。超声波传播校正速度v由公式：

h＝v×t₀

得：

v＝h/t₀

v既为当前环境下超声波校正后在空气中的传播速度，t₀为超声波从第一自校准超声波探头到第二自校准超声波探头在空气中传播的飞行时间，h为第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头的垂直距离。

雨量测量，如图10所示，采用2个超声波探头，一个作为发射、一个作为信号反射的接收，采用两个探头的方式有利于降低超声探测的盲区，本发明探测盲区小于50mm。超声波经过第一测量超声波探头进行发射，超声波在气介质中传播，遇到水面进行反射，超声波第二测量超声波探头接收反射信号，超声波在气介质中飞行时间为t₁。

超声波探头到积水水面的距离D，则根据传播速度和飞行时间，由下列公式即可算出距离D。

D＝v×t₁/2

其中，v为系统校正后的传播速度，单位为毫米每微秒；t₁为超声波在气介质中的飞行时间，单位为微秒；

雨量测量第一测量超声波探头和第二测量超声波探头安装间距为d毫米，本系统安装间距d为20mm，则根据下列公式即可求出超声波第一测量超声波探头表面到积水面的垂直距离H。

比较当前第一测量超声波探头到表面到积水面垂直距离H和上一次第一测量超声波探头到表面到积水面垂直距离H1，

若当前H＞H1，则降雨量为：

ΔH＝H-H1

若当前H≤H1，则降雨量为：

ΔH＝0

将当前时刻第一测量超声波探头到积水面的垂直距离H赋值给H1；

测量结果ΔH以扩大固定的倍数成整数后，通过串口进行输出，串口传输波特率设置为115200。

在雨量测量过程中，需要用到高精度时间测量和卡尔曼滤波，其工作方式如下：

高精度时间测量，基于时差法设计的超声测雨系统中，超声波飞行时间的测量在整个系统中是最重要的工作，它的测量精度直接决定整个测量系统的精度，本发明采用TDC-GP22进行高精度时间测量。工作流程图如图11所示。STM32F407通过SPI通信方式和TDC-GP22进行通信并对它的相关寄存器进行配置操作。发送操作指令“h50”，TDC-GP22进行上电复位。然后对TDC-GP22寄存器进行配置，设置start信号和stop信号的触发方式，发射脉冲个数、频率、测量模式、传播时间计算模式等。通过配置TDC-GP22，发出200KHz的脉冲信号。发送Start_Cal_TDC指令来单独校正，也可发送指令“h03”，TDC-GP22进行时钟校准。发送指令“h70”，初始化TDC-GP22，然后读取状态寄存器，发送“h01”触发一次时间测量，发射18个脉冲，经过驱动电路后触发stop信号，TDC-GP22计算信号飞行时间。测量完成产生中断，系统进入中断函数读取寄存器上的时间测量结果，将信号的飞行时间打包存储在STM32F407中。

测量原始数据滤波。超声波在空气中传播，测量的时间数据受系统自身电磁干扰等影响，时间原始数据存在波动，因此，测量的原始数据需要进行滤波算法处理，本发明除了硬件滤波外，在软件上还了采用卡尔曼滤波算法进行降噪处理，卡尔曼滤波状态方程描述为：

x(k)＝A·x(k-1)+B·μ(k)+w(k)z(k)＝H·x(k)+y(k)

式中：x(k)为k时刻系统的状态；μ(k)为控制量；w(k)为符合高斯分布的过程噪声；z(k)为k时刻系统的观测值；y(k)为符合高斯分布的测量噪声；

K代表时刻；X代表系统状态；P代表误差协方差。

x(k|k-1)＝A·P(k-1|k-1)·AT+Q

期望值分别为E[X]、E[Y]的两个随机变量X、Y之间的协方差定义为：

Cov＝E[XY]-E[X]E[Y]

衡量两个变量的总体误差。

步骤4)自动排水单元，本发明当出现两种情况时，需要打开排水阀门进行排水。

当雨量桶内水位高于140mm时，系统自动打开排水阀门，将桶内积水排放干净，再继续测量降雨量。本系统设计在30s内将积水排放完毕。

当雨量桶内积水未达到140mm时，但是测量积水深度连续5分钟没有变化，则系统自动打开排水阀门进行排水。

步骤5)当系统连续规定时间内无雨量增加，且检测排水完毕，系统将再次进入休眠工作状态。

如图12所示，为系统程序流程图，当系统上电后，系统首先进行初始化处理，然后进入休眠状态，当监测到降雨时，STM32F4芯片从休眠状态唤醒，启动系统，当降雨水位达到预定值，系统开始配置时间测量芯片，配置发射脉冲数量和发射频率，然后系统开始自我校准和测量工作，通过数据判断是否需要排水处理，并将数据按固定格式输出，如果没有降雨，系统继续休眠，测量完成后系统回到休眠状态。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。