基于單片機的低功耗高精度融雪測量儀的設(shè)計

張建

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

我國對于積雪的實時檢測技術(shù)還比較落后，如通過利用衛(wèi)星來實時監(jiān)視積雪融化動態(tài)，但在實際的運作中，由于地面環(huán)境的復(fù)雜性存在比較大的誤差與缺陷[1]。早在1973年，MrClain等人指出雪的表面反射率可以作為雪深的指示因子[2]，但是由于地表土壤成分各不相同以及表面雜物不同，其檢測效果也并不可觀。因此，研制一套低功耗高精度的融雪測量儀是有必要的，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計方案

本設(shè)計提出以超聲波傳感器進行積雪厚度的實時監(jiān)測，采用“渡越時間檢測法”進行雪厚的測量。其測量原理為：超聲波發(fā)射器垂直地向雪表面發(fā)射超聲波，同時采集板上微控制器內(nèi)部定時器開始計時，碰到雪面反射回來。當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時，定時器就立即停止計時，根據(jù)定時值，計算出發(fā)射點距雪表面的距離 S。假設(shè)設(shè)備安裝高度為 S0，雪厚值為 S0-S。最終控制器對采集板進行召測，對采集到的數(shù)據(jù)處理與分析，并做出相應(yīng)的預(yù)警功能。

2 低功耗的實現(xiàn)方案

低功耗實現(xiàn)方案主要有：控制板的主控制器的選型以及工作模式的選擇；控制AT89C2051單片機的工作模式和485通信狀態(tài)的控制以及設(shè)置合理的采樣周期。

（1）主控制器的選型及工作模式的選擇

控制板的主控制器選擇MSP430F149，這是一款16位超低功耗的混合信號處理器。電源電壓采用1.8～3.6 V，在2.2 V、1 MHz的時鐘條件下運行時，電流僅有160 μA。待機模式：1.6 μA。 關(guān)閉模式（RAM 保持）：0.1 μA。 平時讓主控制器處于LPM3模式下，CPU停止工作，主時鐘關(guān)閉，子時鐘關(guān)閉，內(nèi)部振蕩器關(guān)閉，輔導(dǎo)時鐘打開，其功耗為 2 μA。同時，將 TIMER_A的時鐘源選為 ACLK，當(dāng)?shù)竭_定時時間時，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中斷CPU喚醒。具體程序?qū)崿F(xiàn)方法為：

（2）工作模式以及485狀態(tài)控制

平時單片機處于“空閑方式”狀態(tài)，當(dāng)有串口中斷喚醒的時候，CPU才開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)采集完成后通過RS-485總線發(fā)送給控制板 （注：RS-485平時處于接收狀態(tài)，需要發(fā)送時才使能發(fā)送端口，為了降低功耗），執(zhí)行完成后單片機繼續(xù)“睡覺”。程序?qū)崿F(xiàn)方法如下所示。

（3）設(shè)置合理的采樣周期

由于積雪的融化與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度在冰點之下時，積雪不融化。這時候就沒必要一直去采集積雪的融化狀況，即采集頻率可以減小，對于降低功耗是一種有效的方法（根據(jù)實際情況可在軟件中設(shè)定值）。該設(shè)計中設(shè)定的采樣周期如表1所示。

表1 采樣周期的設(shè)定

3 高精度的實現(xiàn)方案

高精度的實現(xiàn)方案主要表現(xiàn)為：確定回波檢測方案，溫度補償，對采集值進行數(shù)字濾波，真實值與測量值之間做線性補償。

（1）確定回波檢測方案

能夠快速檢測到回波對于提高精度是一個關(guān)鍵點。如果在程序中使用冗余或者復(fù)雜的程序后，勢必會增加定時器的計數(shù)值，從而影響測距精度。下面是該設(shè)計中使用的回波檢測程序。

一條JNB bit，rel匯編語句執(zhí)行時間為 2個機器周期，一條CLR C匯編語句執(zhí)行時間為1個機器周期，所以執(zhí)行一次上述回波檢測語句需要5個機器周期，而該設(shè)計中使用的晶振為 12 MHz，一個機器周期為 1 μs，因此需要 5 μs。 由公式 S=VT/2，S為距離，V為波速，T為渡越時間。假設(shè)此時的V為340 m/s，得S=0.85 mm，誤差在1 mm之內(nèi)，在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。

（2）溫度補償

由于超聲波波速受到環(huán)境溫度的影響，需要對波速進行溫度補償，利用數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以便為做成高精度的采集系統(tǒng)做保障。表2列出幾種不同溫度下的超聲波波速[3]。

表2 超聲波波速在不同溫度下的波速

根據(jù)上述表2中數(shù)據(jù)，可以得出溫度補償公式如式（1）所示：

其中V表示實際波速，T表示環(huán)境溫度。程序算法如下所示：

（3）對采集值進行數(shù)字濾波

由于實際測量中會出現(xiàn)偶然脈沖干擾，使測得的數(shù)值偏差很大，通過防脈沖干擾平均濾波法 （Anti-Pulse Interference Average Filtering Method）踢除此干擾，同時對剩余的數(shù)據(jù)取平均值。測試效果如表3所示。

表3 防脈沖干擾平均濾波法的測試效果

（4）真實值與測量值之間做線性補償

由于實際測量值與真實值之間會存在誤差，現(xiàn)在通過用一次函數(shù)Y=KX+B做線性補償算法來減少測量誤差。在沒有加入補償之前如表4中的誤差1所示。E2到E11 中的數(shù)值 是 Y 由式 EN=（AN+1-AN）/（BN+1-BN），（N=2～11）得到。F2到 F22中的數(shù)據(jù)是對 E2到 E11中數(shù)據(jù)取平均值。G2到 G11中的數(shù)據(jù)由公式 GN=AN-FNBN，（N=2～11）。 HN（N=2～11）中的數(shù)據(jù)是對 G2到 G11取平均值得到。 計算出 K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到補償后的數(shù)據(jù)I2到I22。最終保證誤差在5‰左右，如表4中的誤差2所示。

表4 補償前后的誤差對比

經(jīng)過測試，融雪測量儀的測量范圍為300 mm～2 000 mm，測量精度控制在 5‰之內(nèi)，且耗電量低。同時，由于考慮到實際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，對于元器件的選擇全都采用工業(yè)級產(chǎn)品，以保證設(shè)備的穩(wěn)定與可靠性。

[1]毛煒峰，張旭，楊志華，等.衛(wèi)星遙感首次監(jiān)測到準(zhǔn)噶爾盆地西北部的冬季融雪洪水 [J].冰川凍土，2010，32（1）：211-214.

[2]RAMSAYB H.The interactive multisensor snow and ice mapping system[J].Hydrological Processes， 1998，12：1537-1546.

[3]翟國富，劉茂愷.一種實時高精度的機器人用超聲波測距處理方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，1990（1）：17-24.