摘 要： 針對我國西北等地區(qū)因積雪融化而造成山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，設(shè)計(jì)一款融雪測量儀來實(shí)時(shí)監(jiān)測積雪的融化狀況，并作出預(yù)警。在該設(shè)計(jì)中主要在單片機(jī)的選型、工作模式的控制以及供電電源的控制模式來降低功耗。經(jīng)過測試，該設(shè)備運(yùn)行正常、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，同時(shí)具有高精度、低功耗的特性。對于監(jiān)測積雪的融化狀況是一種可行的設(shè)計(jì)方法，而且具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；低功耗；高精度；數(shù)字濾波
我國對于積雪的實(shí)時(shí)檢測技術(shù)還比較落后，如通過利用衛(wèi)星來實(shí)時(shí)監(jiān)視積雪融化動(dòng)態(tài)，但在實(shí)際的運(yùn)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(jì)方案
本設(shè)計(jì)提出以超聲波傳感器進(jìn)行積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用“渡越時(shí)間檢測法”進(jìn)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(shí)采集板上微控制器內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，碰到雪面反射回來。當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時(shí)，定時(shí)器就立即停止計(jì)時(shí)，根據(jù)定時(shí)值，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)方案
低功耗實(shí)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(jī)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(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，電流僅有160 μA。待機(jī)模式：1.6 μA。關(guān)閉模式（RAM保持）：0.1 μA。平時(shí)讓主控制器處于LPM3模式下，CPU停止工作，主時(shí)鐘關(guān)閉，子時(shí)鐘關(guān)閉，內(nèi)部振蕩器關(guān)閉，輔導(dǎo)時(shí)鐘打開，其功耗為2 μA。同時(shí)，將TIMER_A的時(shí)鐘源選為ACLK，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)時(shí)間時(shí)，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中斷CPU喚醒。具體程序?qū)崿F(xiàn)方法為：
Void Init_Timer_A（）
{
TACTL|=TASSEL_1+TACLR； //選擇時(shí)鐘源為ACLK
TACTL|=MC1+TAIE； //使能定時(shí)器A中斷
}
_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）； //Enter LPM3 interrupt
#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中斷服務(wù)函數(shù)
__interrupt void Timer_A（void）
{}
（2）工作模式以及485狀態(tài)控制
平時(shí)單片機(jī)處于“空閑方式”狀態(tài)，當(dāng)有串口中斷喚醒的時(shí)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(shí)處于接收狀態(tài)，需要發(fā)送時(shí)才使能發(fā)送端口，為了降低功耗），執(zhí)行完成后單片機(jī)繼續(xù)“睡覺”。程序?qū)崿F(xiàn)方法如下所示。
Void Init_Uart（）
{
TMOD=0X21；TH1=0XFD；TL1=0XFD；TR1=1；
//波特率發(fā)生器的選擇
REN=1； //使能接受
SM0=0；SM1=1；
ES=1； //打開串口中斷
EA=1； //開總中斷
}
Void Init_485（）
{
CONTROL_485=0； //使485模塊處于接收狀態(tài)；
}
Void Serial（） interrupt 4 //串口中斷服務(wù)函數(shù)
{}
Void Lower_Power（）
{
CONTROL_485=0； //使485處于接收狀態(tài)
PCON=0X01；//使單片機(jī)處于“空閑模式”
}
（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(diǎn)之下時(shí)，積雪不融化。這時(shí)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(shí)際情況可在軟件中設(shè)定值）。該設(shè)計(jì)中設(shè)定的采樣周期如表1所示。
3 高精度的實(shí)現(xiàn)方案
高精度的實(shí)現(xiàn)方案主要表現(xiàn)為：確定回波檢測方案，溫度補(bǔ)償，對采集值進(jìn)行數(shù)字濾波，真實(shí)值與測量值之間做線性補(bǔ)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。如果在程序中使用冗余或者復(fù)雜的程序后，勢必會(huì)增加定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，從而影響測距精度。下面是該設(shè)計(jì)中使用的回波檢測程序。
C語言程序：
while（SUPERSONIC_IN&&（TF0==0））
{}
TR0=0； //關(guān)閉定時(shí)器0
反匯編分析：
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； //關(guān)閉定時(shí)器0
C：0x0561 C28C CLR TR0（0x88.4）
一條JNB bit，rel匯編語句執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)機(jī)器周期，一條CLR C匯編語句執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)機(jī)器周期，所以執(zhí)行一次上述回波檢測語句需要5個(gè)機(jī)器周期，而該設(shè)計(jì)中使用的晶振為12 MHz，一個(gè)機(jī)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(shí)間。假設(shè)此時(shí)的V為340 m/s，得S=0.85 mm，誤差在1 mm之內(nèi)，在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。
（2）溫度補(bǔ)償
由于超聲波波速受到環(huán)境溫度的影響，需要對波速進(jìn)行溫度補(bǔ)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]。
根據(jù)上述表2中數(shù)據(jù)，可以得出溫度補(bǔ)償公式如式（1）所示：
V=331.5+0.607×T （1）
其中V表示實(shí)際波速，T表示環(huán)境溫度。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）對采集值進(jìn)行數(shù)字濾波
由于實(shí)際測量中會(huì)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(shí)對剩余的數(shù)據(jù)取平均值。測試效果如表3所示。
（4）真實(shí)值與測量值之間做線性補(bǔ)償
由于實(shí)際測量值與真實(shí)值之間會(huì)存在誤差，現(xiàn)在通過用一次函數(shù)Y=KX+B做線性補(bǔ)償算法來減少測量誤差。在沒有加入補(bǔ)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(jì)算出K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到補(bǔ)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。
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(shí)，由于考慮到實(shí)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。
參考文獻(xiàn)
[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(shí)時(shí)高精度的機(jī)器人用超聲波測距處理方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，1990（1）：17-24.