基于溫度補償算法的超聲波農(nóng)田水位測量系統(tǒng)

伍 薇，蘇文興，劉倩希

（玉林師范學校 計算機科學與工程學院，廣西 玉林 537000）

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，由水利部近三十年來發(fā)布的水資源公報可知，每年農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的60%左右[1]。從數(shù)據(jù)可以看出，農(nóng)業(yè)用水方式還沒有得到明顯的優(yōu)化。傳統(tǒng)的接觸式測距受外在因素影響較大，測距時要與被測物相接觸，增大了測量誤差[2-5]。本文就此問題設(shè)計了一款使用便捷且測距精度更高的非接觸式農(nóng)田水位測量系統(tǒng)，通過超聲波實現(xiàn)非接觸式測距[6-8]，并對超聲波在空氣中傳播導(dǎo)致的誤差進行溫度補償，以提高測距精度。

1 設(shè)計思路

本系統(tǒng)設(shè)計的基本原理如圖1所示，總體框圖如圖2所示。

圖1 超聲波農(nóng)田水位測量基本原理

圖2 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)需要進行兩次定點測量，第一次測量超聲波傳感器距地面總高度h，第二次測量超聲波傳感器到農(nóng)田水面之間的距離s。

首先對h的測量，在農(nóng)田干旱的情況下進行，超聲波傳感器向地面定向發(fā)射超聲波，入射波到達農(nóng)田地面后立即被反射，反射波被超聲波接收器接收，從超聲波發(fā)射到接收的時間間隔為Δt，利用時間渡越法就可以算出h：

式中，v為超聲波傳播速度。

再按下測量鍵，將h寫入E2PROM中，超聲波開始自動測量農(nóng)田水位d：

按下測量鍵，代表已經(jīng)確定好h，開始進行s的測量，與測量h一樣。測出s后，立即進行處理并得到農(nóng)田水位。

最后可通過LCD屏實時查看農(nóng)田水位情況，如果水位超過指定范圍，利用蜂鳴器和LED進行報警提示，以確保農(nóng)田水位保持在一個適宜位置。

2 硬件電路設(shè)計

農(nóng)田水位測量系統(tǒng)的電路原理如圖3所示。

圖3 硬件電路設(shè)計原理

2.1 單片機最小系統(tǒng)

以低功率、高性能的STC89C52為主控芯片，采用頻率為12 MHz的高精度晶振組成晶振電路，由K1按鈕控制復(fù)位形成復(fù)位電路，供電模塊采用5 V直流電源，以上即為最小系統(tǒng)的組成。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 超聲波模塊電路

HC_SR04超聲波模塊的內(nèi)部自帶一個40 kHz的電壓脈沖信號，其工作電壓為5 V，測量精度可達0.3 cm，其工作時序如圖4所示。工作方式是首先保持觸發(fā)控制信號Trig引腳為低電平，單片機P2.0引腳向Trig腳輸出一個持續(xù)10 μs以上的高電平，超聲波模塊被啟動后會連續(xù)發(fā)出8個40 kHz的脈沖，從而發(fā)出超聲波信號；信號發(fā)射完成后，回響信號Echo腳將發(fā)出持續(xù)的高電平，當模塊接收到反射回的超聲波時，該腳位被置地，Echo腳立即變?yōu)榈碗娖?，此時單片機處理該Echo的高電平持續(xù)時間即式（1）中的Δt。

圖4 HC_SR04模塊工作時序

2.2.2 溫度檢測電路

本設(shè)計中通過DS18B20溫度傳感器[9]對系統(tǒng)進行溫度補償，其不需要進行A/D轉(zhuǎn)化，能夠提高農(nóng)田水位測量的實時性。溫度傳感器的電壓范圍為3.0～5.5 V，測量范圍為-55～125 ℃，滿足農(nóng)田環(huán)境溫度測量要求。單總線通信接口（DQ）與單片機的引腳P1.0連接就可以實現(xiàn)互相通信，大大減小了外界對系統(tǒng)的干擾。

2.3 按鈕電路

本次設(shè)計采用五個獨立式按鍵實現(xiàn)對農(nóng)田安全水位值進行調(diào)整，五個按鍵分為設(shè)置/退出鍵、設(shè)置加鍵、設(shè)置減鍵、復(fù)位鍵、測量鍵。按下設(shè)置鍵后，進入最高、最低水位閾值進行界面設(shè)定，然后通過設(shè)置加減按鍵進行調(diào)整；按下復(fù)位鍵，本系統(tǒng)進行初始化到空狀態(tài)；按下測量鍵，表示已經(jīng)測量好了超聲波發(fā)射器到農(nóng)田地面之間的距離，開始實時測量農(nóng)田水位。

2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊由LCD液晶顯示和聲光報警兩部分組成。

LCD液晶顯示部分選用了體積小、低功耗的1602液晶屏，其主要原理是用電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背部的燈管來形成畫面的，按照顯示字符的行或點陣的行、列來命名；其主要顯示內(nèi)容為設(shè)定的農(nóng)田水位閾值、農(nóng)田水位和當前環(huán)境溫度。

聲光報警部分由蜂鳴器與LED組成，當測量水位不在閾值范圍內(nèi)時，會聽到報警聲并可以看到LED亮起[10]；否則，無任何情況。

3 溫度補償

為提高測距精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)在設(shè)計中添加了溫度補償算法，利用數(shù)字溫度傳感器對超聲波模塊進行溫度補償，單片機通過溫度傳感器實時讀取當前環(huán)境溫度的數(shù)值，使得測距數(shù)據(jù)更加精確。超聲波在空氣中傳播時可以看作是在理想狀態(tài)下的小振幅聲波，對超聲波傳播速度進行溫度補償。

式中：B為氣體的彈性模量；ρ為氣體的密度，當溫度為0 ℃時，空氣密度為1.293 kg/m3。

由理想氣體壓縮特性可得：

式中：γ為氣體的比熱容，空氣的比熱容為1.402；P為氣體壓強，標準大氣壓為1.013×105Pa。

由理想的氣體狀態(tài)方程可得：

式中：V為氣體體積；m為氣體質(zhì)量；M為氣體的物質(zhì)的量，空氣為28.8×10-3kg/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，為8.134 kg/mol；T為氣體溫度。

結(jié)合式（2）、（3）可得：

式中，V0為0 ℃下空氣中的聲速，為331.6 m/s。

由此可得，傳播介質(zhì)溫度與超聲波的聲速呈非線性關(guān)系，進行溫度補償是必不可少的。利用溫度補償算法即可得到超聲波的波速。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用運行速度極快、存儲量小的C語言編寫，能夠使超聲波測距更加精確、實時性更強。在單片機內(nèi)部設(shè)置最高/最低水位閾值，當測得的水位高于或低于閾值時，系統(tǒng)進行聲光報警提示，根據(jù)水位的高低報警頻率也會有所不同，直到水位恢復(fù)到最佳狀態(tài)時，才退出聲光提示。農(nóng)田水位系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計如圖5所示。

圖5 農(nóng)田水位系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計

5 誤差測試與分析

5.1 誤差測試

以一個高30 cm的水池作為農(nóng)田，并用高精度測量工具在水池內(nèi)以5 cm為單位進行標記，選取標準大氣溫度（20 ℃）和常溫（25 ℃）作為環(huán)境溫度因變量，控制好環(huán)境溫度，使其溫度分別穩(wěn)定在（20±0.5）℃和（25±0.5）℃，測試對象分別為未加溫度補償儀器（即市面上常見儀器）和本系統(tǒng)測距儀器，進行測距對比實驗，并在同一水位進行5次測量取其平均值進行記錄。將記錄數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖6所示。

圖6 測試數(shù)據(jù)分析

按照平均相對誤差公式計算兩種溫度下的平均相對誤差，數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 測量水位平均相對誤差

根據(jù)圖6與表1可得，采用本設(shè)計系統(tǒng)進行水位測量時，相較于未加溫度補償?shù)脑O(shè)備，優(yōu)勢在于誤差小、穩(wěn)定性高，其在20 ℃環(huán)境下平均相對誤差從5.45降低到2.71，在25 ℃環(huán)境下其溫度補償水位測量精度大大優(yōu)于未加溫度補償?shù)乃粶y量。進行多次不同溫度環(huán)境下的測量后發(fā)現(xiàn)，未加溫度補償水位測量時波速是在標準大氣溫度下（20 ℃）確定的，所以環(huán)境溫度越偏離20 ℃，誤差就會越大；而溫度補償水位測量時可以發(fā)現(xiàn)其平均相對誤差會在0～5%區(qū)間內(nèi)，大大保證了數(shù)據(jù)的準確性。

5.2 誤差分析

超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波呈喇叭狀擴散傳播，會因反射物的不同而產(chǎn)生誤差。主要使用場景為農(nóng)田，其空氣濕度的不同也會使測距存在一定的誤差。

6 結(jié) 語

本文根據(jù)超聲波測距原理，結(jié)合STC89C52單片機設(shè)計一種基于溫度補償算法的超聲波農(nóng)田水位測量系統(tǒng)，添加溫度監(jiān)測模塊有效地降低了超聲波水位測量的誤差，使得超聲波的穩(wěn)定性和精確度得到了很大的提高。