基于單片機(jī)的低功耗高精度融雪測量儀的設(shè)計(jì)

我國對于積雪的實(shí)時檢測技術(shù)還比較落后，如通過利用衛(wèi)星來實(shí)時監(jiān)視積雪融化動態(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)時監(jiān)測，采用“渡越時間檢測法”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，同時采集板上微控制器內(nèi)部定時器開始計(jì)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(jì)時，根據(jù)定時值，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。
?。?）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(yùn)行時，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_(dá)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(wù)函數(shù)
__interrupt void Timer_A（void）
{}
　（2）工作模式以及485狀態(tài)控制
　平時單片機(jī)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(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”
}
?。?）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，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(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，勢必會增加定時器的計(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)閉定時器0
C：0x0561 C28C CLR TR0（0x88.4）