摘 要： 針對我國西北等地區(qū)因積雪融化而造成山洪,、滑坡,、泥石流等自然災害，設計一款融雪測量儀來實時監(jiān)測積雪的融化狀況,，并作出預警,。在該設計中主要在單片機的選型、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,，該設備運行正常、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,，同時具有高精度,、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計方法，而且具有一定的實用價值,。
關鍵詞： 單片機,；低功耗；高精度,；數(shù)字濾波
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,，而且具有廣闊的應用前景。
1 總體設計方案
本設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。假設設備安裝高度為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,，并做出相應的預警功能。
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，主時鐘關閉,，子時鐘關閉,，內(nèi)部振蕩器關閉，輔導時鐘打開,，其功耗為2 μA,。同時，將TIMER_A的時鐘源選為ACLK,，當?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：
Void Init_Timer_A（）
{
TACTL|=TASSEL_1+TACLR,； //選擇時鐘源為ACLK
TACTL|=MC1+TAIE,； //使能定時器A中斷
}
_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）； //Enter LPM3 interrupt
#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中斷服務函數(shù)
__interrupt void Timer_A（void）
{}
?。?）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),，當有串口中斷喚醒的時候，CPU才開始采集數(shù)據(jù),。當采集完成后通過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。
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 //串口中斷服務函數(shù)
{}
Void Lower_Power（）
{
CONTROL_485=0； //使485處于接收狀態(tài)
PCON=0X01,；//使單片機處于“空閑模式”
}
?。?）設置合理的采樣周期
由于積雪的融化與溫度有關,，當溫度在冰點之下時，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定值）,。該設計中設定的采樣周期如表1所示,。
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。
?。?）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鍵點,。如果在程序中使用冗余或者復雜的程序后，勢必會增加定時器的計數(shù)值,，從而影響測距精度,。下面是該設計中使用的回波檢測程序。
C語言程序：
while（SUPERSONIC_IN&&（TF0==0））
{}
TR0=0,； //關閉定時器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,； //關閉定時器0
C：0x0561 C28C CLR TR0（0x88.4）
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。假設此時的V為340 m/s,，得S=0.85 mm,，誤差在1 mm之內(nèi),，在設計允許范圍之內(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],。
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：
V=331.5+0.607×T （1）
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：
float Count_Supersonic_Speed
（UCHAR real_temp）
{
float V1,；
V1=real_temp/2+real_temp/10+331+1/2；
return V1,；
}
?。?）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,。
?。?）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,。
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,，由于考慮到實際應用環(huán)境的復雜性,，對于元器件的選擇全都采用工業(yè)級產(chǎn)品，以保證設備的穩(wěn)定與可靠性。
參考文獻
[1] 毛煒峰,，張旭,，楊志華，等.衛(wèi)星遙感首次監(jiān)測到準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].應用聲學，1990（1）：17-24.