基于單片機的低功耗高精度融雪測量儀的設計

我國對于積雪的實時檢測技術還比較落后，如通過利用衛星來實時監視積雪融化動態，但在實際的運作中，由于地面環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：超聲波發射器垂直地向雪表面發射超聲波，同時采集板上微控制器內部定時器開始計時，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，根據定時值，計算出發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，對采集到的數據處理與分析，并做出相應的預警功能。
2 低功耗的實現方案
　低功耗實現方案主要有：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通信狀態的控制以及設置合理的采樣周期。
?。?）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，當到達定時時間時，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中斷CPU喚醒。具體程序實現方法為：
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
__interrupt void Timer_A（void）
{}
?。?）工作模式以及485狀態控制
　平時單片機處于“空閑方式”狀態，當有串口中斷喚醒的時候，CPU才開始采集數據。當采集完成后通過RS-485總線發送給控制板（注：RS-485平時處于接收狀態，需要發送時才使能發送端口，為了降低功耗），執行完成后單片機繼續“睡覺”。程序實現方法如下所示。
Void Init_Uart（）
{
TMOD=0X21；TH1=0XFD；TL1=0XFD；TR1=1；
//波特率發生器的選擇
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；
}
Void Serial（） interrupt 4 //串口中斷服務函數
{}
Void Lower_Power（）
{
CONTROL_485=0； //使485處于接收狀態
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 高精度的實現方案
　高精度的實現方案主要表現為：確定回波檢測方案，溫度補償，對采集值進行數字濾波，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）