基于单片机的低功耗高精度融雪测量仪的设计-文章-电子竞赛-仪器仪表类

基于单片机的低功耗高精度融雪测量仪的设计

时间:05-24 09:08 阅读:890次

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简介：本设计提出以超声波传感器进行积雪厚度的实时监测，采用“渡越时间检测法”进行雪厚的测量。

我国对于积雪的实时检测技术还比较落后，如通过利用卫星来实时监视积雪融化动态，但在实际的运作中，由于地面环境的复杂性存在比较大的误差与缺陷[1]。早在1973年，MrClain等人指出雪的表面反射率可以作为雪深的指示因子[2]，但是由于地表土壤成分各不相同以及表面杂物不同，其检测效果也并不可观。因此，研制一套低功耗高精度的融雪测量仪是有必要的，而且具有广阔的应用前景。

1 总体设计方案

本设计提出以超声波传感器进行积雪厚度的实时监测，采用“渡越时间检测法”进行雪厚的测量。其测量原理为：超声波发射器垂直地向雪表面发射超声波，同时采集板上微控制器内部定时器开始计时，碰到雪面反射回来。当超声波接收器接收到反射波时，定时器就立即停止计时，根据定时值，计算出发射点距雪表面的距离S。假设设备安装高度为S0，雪厚值为S0-S。最终控制器对采集板进行召测，对采集到的数据处理与分析，并做出相应的预警功能。

2 低功耗的实现方案

低功耗实现方案主要有：控制板的主控制器的选型以及工作模式的选择；控制AT89C2051单片机的工作模式和485通信状态的控制以及设置合理的采样周期。

（1）主控制器的选型及工作模式的选择

控制板的主控制器选择MSP430F149，这是一款16位超低功耗的混合信号处理器。电源电压采用1.8~3.6 V，在2.2 V、1 MHz的时钟条件下运行时，电流仅有160 μA。待机模式：1.6 μA。关闭模式（RAM保持）：0.1 μA。平时让主控制器处于LPM3模式下，CPU停止工作，主时钟关闭，子时钟关闭，内部振荡器关闭，辅导时钟打开，其功耗为2 μA。同时，将TIMER_A的时钟源选为ACLK，当到达定时时间时，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中断CPU唤醒。具体程序实现方法为：

Void Init_Timer_A（）

{

TACTL|=TASSEL_1+TACLR； //选择时钟源为ACLK

TACTL|=MC1+TAIE； //使能定时器A中断

}

_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）； //Enter LPM3 interrupt

#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中断服务函数

__interrupt void Timer_A（void）

{}

（2）工作模式以及485状态控制

平时单片机处于“空闲方式”状态，当有串口中断唤醒的时候，CPU才开始采集数据。当采集完成后通过RS-485总线发送给控制板（注：RS-485平时处于接收状态，需要发送时才使能发送端口，为了降低功耗），执行完成后单片机继续“睡觉”。程序实现方法如下所示。

Void Init_Uart（）

{

TMOD=0X21；TH1=0XFD；TL1=0XFD；TR1=1；

//波特率发生器的选择

REN=1； //使能接受

SM0=0；SM1=1；

ES=1； //打开串口中断

EA=1； //开总中断

}

Void Init_485（）

{

CONTROL_485=0； //使485模块处于接收状态；

}

Void Serial（） interrupt 4 //串口中断服务函数

{}

Void Lower_Power（）

{

CONTROL_485=0； //使485处于接收状态

PCON=0X01；//使单片机处于“空闲模式”

}

（3）设置合理的采样周期

由于积雪的融化与温度有关，当温度在冰点之下时，积雪不融化。这时候就没必要一直去采集积雪的融化状况，即采集频率可以减小，对于降低功耗是一种有效的方法（根据实际情况可在软件中设定值）。该设计中设定的采样周期如表1所示。

3 高精度的实现方案

高精度的实现方案主要表现为：确定回波检测方案，温度补偿，对采集值进行数字滤波，真实值与测量值之间做线性补偿。

（1）确定回波检测方案

能够快速检测到回波对于提高精度是一个关键点。如果在程序中使用冗余或者复杂的程序后，势必会增加定时器的计数值，从而影响测距精度。下面是该设计中使用的回波检测程序。

C语言程序：

while（SUPERSONIC_IN&&（TF0==0））

{}

TR0=0； //关闭定时器0

反汇编分析：

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； //关闭定时器0

C：0x0561 C28C CLR TR0（0x88.4）

一条JNB bit，rel汇编语句执行时间为2个机器周期，一条CLR C汇编语句执行时间为1个机器周期，所以执行一次上述回波检测语句需要5个机器周期，而该设计中使用的晶振为12 MHz，一个机器周期为1 μs，因此需要5 μs。由公式S=VT/2，S为距离，V为波速，T为渡越时间。假设此时的V为340 m/s，得S=0.85 mm，误差在1 mm之内，在设计允许范围之内。

（2）温度补偿

由于超声波波速受到环境温度的影响，需要对波速进行温度补偿，利用数字温度传感器采集环境温度，以便为做成高精度的采集系统做保障。表2列出几种不同温度下的超声波波速[3]。

根据上述表2中数据，可以得出温度补偿公式如式（1）所示：

V=331.5+0.607×T （1）

其中V表示实际波速，T表示环境温度。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）对采集值进行数字滤波

由于实际测量中会出现偶然脉冲干扰，使测得的数值偏差很大，通过防脉冲干扰平均滤波法（Anti-Pulse Interference Average Filtering Method）踢除此干扰，同时对剩余的数据取平均值。测试效果如表3所示。

（4）真实值与测量值之间做线性补偿

由于实际测量值与真实值之间会存在误差，现在通过用一次函数Y=KX+B做线性补偿算法来减少测量误差。在没有加入补偿之前如表4中的误差1所示。E2到E11中的数值是Y由式EN=（AN+1-AN）/（BN+1-BN），（N=2~11）得到。F2到F22中的数据是对E2到E11中数据取平均值。G2到G11中的数据由公式GN=AN-FNBN，（N=2~11）。HN（N=2~11）中的数据是对G2到G11取平均值得到。计算出K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到补偿后的数据I2到I22。最终保证误差在5‰左右，如表4中的误差2所示。