基于单片机的低功耗高精度融雪测量仪的设计

我国对于积雪的实时检测技术还比较落后，如通过利用卫星来实时监视积雪融化动态，但在实际的运作中，由于地面环境的复杂性存在比较大的误差与缺陷[1]。早在1973年，MrClain等人指出雪的表面反射率可以作为雪深的指示因子[2]，但是由于地表土壤成分各不相同以及表面杂物不同，其检测效果也并不可观。因此，研制一套低功耗高精度的融雪测量仪是有必要的，而且具有广阔的应用前景。
1 总体设计方案
　本设计提出以超声波传感器进行积雪厚度的实时监测，采用“渡越时间检测法”进行雪厚的测量。其测量原理为：超声波发射器垂直地向雪表面发射超声波，同时采集板上微控制器内部定时器开始计时，碰到雪面反射回来。当超声波接收器接收到反射波时，定时器就立即停止计时，根据定时值，计算出发射点距雪表面的距离S。假设设备安装高度为S0，雪厚值为S0-S。最终控制器对采集板进行召测，对采集到的数据处理与分析，并做出相应的预警功能。
2 低功耗的实现方案
　低功耗实现方案主要有：控制板的主控制器的选型以及工作模式的选择；控制AT89C2051单片机的工作模式和485通信状态的控制以及设置合理的采样周期。
　（1）主控制器的选型及工作模式的选择
　控制板的主控制器选择MSP430F149，这是一款16位超低功耗的混合信号处理器。电源电压采用1.8~3.6 V，在2.2 V、1 MHz的时钟条件下运行时，电流仅有160 μA。待机模式：1.6 μA。关闭模式（RAM保持）：0.1 μA。平时让主控制器处于LPM3模式下，CPU停止工作，主时钟关闭，子时钟关闭，内部振荡器关闭，辅导时钟打开，其功耗为2 μA。同时，将TIMER_A的时钟源选为ACLK，当到达定时时间时，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中断CPU唤醒。具体程序实现方法为：
Void Init_Timer_A（）
{
    TACTL|=TASSEL_1+TACLR；    //选择时钟源为ACLK
    TACTL|=MC1+TAIE；  //使能定时器A中断
}
_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）；      //Enter LPM3 interrupt
#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中断服务函数
__interrupt void Timer_A（void）
{}
　（2）工作模式以及485状态控制
　平时单片机处于“空闲方式”状态，当有串口中断唤醒的时候，CPU才开始采集数据。当采集完成后通过RS-485总线发送给控制板（注：RS-485平时处于接收状态，需要发送时才使能发送端口，为了降低功耗），执行完成后单片机继续“睡觉”。程序实现方法如下所示。
Void Init_Uart（）
{
    TMOD=0X21；TH1=0XFD；TL1=0XFD；TR1=1；
       //波特率发生器的选择
       REN=1；  //使能接受
   　 SM0=0；SM1=1；
    　ES=1； //打开串口中断
　EA=1； //开总中断
}
Void Init_485（）
{
    CONTROL_485=0；   //使485模块处于接收状态；
}
Void Serial（） interrupt 4  //串口中断服务函数
{}
Void Lower_Power（）
{
    CONTROL_485=0； //使485处于接收状态
    PCON=0X01；//使单片机处于“空闲模式”
}
　（3）设置合理的采样周期
　由于积雪的融化与温度有关，当温度在冰点之下时，积雪不融化。这时候就没必要一直去采集积雪的融化状况，即采集频率可以减小，对于降低功耗是一种有效的方法（根据实际情况可在软件中设定值）。该设计中设定的采样周期如表1所示。

3 高精度的实现方案
　高精度的实现方案主要表现为：确定回波检测方案，温度补偿，对采集值进行数字滤波，真实值与测量值之间做线性补偿。
　（1）确定回波检测方案
　能够快速检测到回波对于提高精度是一个关键点。如果在程序中使用冗余或者复杂的程序后，势必会增加定时器的计数值，从而影响测距精度。下面是该设计中使用的回波检测程序。
C语言程序：
while（SUPERSONIC_IN&&（TF0==0））
{}
TR0=0；     //关闭定时器0
反汇编分析：
290：   while（SUPERSONIC_IN&&（TF0==0））      
C：0x055B 30B703 JNB SUPERSONIC_IN（0xB0.7），C：0561
C：0x055E308DFA JNB TF0（0x88.5），C：055B
      291：     {}
       292： 
       293：  TR0=0； //关闭定时器0
C：0x0561 C28C CLR TR0（0x88.4）
　一条JNB bit，rel汇编语句执行时间为2个机器周期，一条CLR C汇编语句执行时间为1个机器周期，所以执行一次上述回波检测语句需要5个机器周期，而该设计中使用的晶振为12 MHz，一个机器周期为1 μs，因此需要5 μs。由公式S=VT/2，S为距离，V为波速，T为渡越时间。假设此时的V为340 m/s，得S=0.85 mm，误差在1 mm之内，在设计允许范围之内。
　（2）温度补偿
　由于超声波波速受到环境温度的影响，需要对波速进行温度补偿，利用数字温度传感器采集环境温度，以便为做成高精度的采集系统做保障。表2列出几种不同温度下的超声波波速[3]。

　根据上述表2中数据，可以得出温度补偿公式如式（1）所示：
　V=331.5+0.607×T       （1）
　其中V表示实际波速，T表示环境温度。程序算法如下所示：
float  Count_Supersonic_Speed
（UCHAR  real_temp）
{
   float V1；
V1=real_temp/2+real_temp/10+331+1/2；
　return V1；
}
　（3）对采集值进行数字滤波
　由于实际测量中会出现偶然脉冲干扰，使测得的数值偏差很大，通过防脉冲干扰平均滤波法（Anti-Pulse Interference Average Filtering Method）踢除此干扰，同时对剩余的数据取平均值。测试效果如表3所示。
　（4）真实值与测量值之间做线性补偿
　由于实际测量值与真实值之间会存在误差，现在通过用一次函数Y=KX+B做线性补偿算法来减少测量误差。在没有加入补偿之前如表4中的误差1所示。E2到E11中的数值是Y由式EN=（AN+1-AN）/（BN+1-BN），（N=2~11）得到。F2到F22中的数据是对E2到E11中数据取平均值。G2到G11中的数据由公式GN=AN-FNBN，（N=2~11）。HN（N=2~11）中的数据是对G2到G11取平均值得到。计算出K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到补偿后的数据I2到I22。最终保证误差在5‰左右，如表4中的误差2所示。

　经过测试，融雪测量仪的测量范围为300 mm~2 000 mm，测量精度控制在5‰之内，且耗电量低。同时，由于考虑到实际应用环境的复杂性，对于元器件的选择全都采用工业级产品，以保证设备的稳定与可靠性。
参考文献
[1] 毛炜峰，张旭，杨志华，等.卫星遥感首次监测到准噶尔盆地西北部的冬季融雪洪水[J].冰川冻土，2010，32（1）：211-214.
[2] RAMSAYB H. The interactive multisensor snow and ice mapping system[J]. Hydrological Processes， 1998，12：1537-1546.
[3] 翟国富，刘茂恺．一种实时高精度的机器人用超声波测距处理方法[J].应用声学，1990（1）：17-24.