基于ARM7TDMI的便携式围护结构含水率测试仪的研制

论文摘要

由于建筑围护结构保温性能关系到其节能效果,所以在交付使用前需要现场检测。含水率是影响热工性能的一个重要参数,准确测试出墙体沿深度方向的含水率分布,将为建筑围护结构保温性能检测提供重要的参数。本论文结合围护结构的特点,提出采用平面电容式传感器作为检测的湿度传感器,就建筑物围护结构含水率检测的多方面基础理论和影响因素进行了研究。理论分析推导了平面电容器的电容、场强、穿透深度,并利用Maxwell有限元软件进行了仿真,为传感器的设计与优化奠定理论基础。结合实际检测情况,对影响湿度传感器的各项参数及影响因素进行了分析,研制了一组不同穿透深度和灵敏度的传感器。以小电容、高精度、高抗干扰能力测量为目的,论文研究设计了一种微小电容测试电路。通过大量实验对传感器的可行性进行了验证,并结合层析理论做了分层实验,得出方案的可行性和不足之处。结合仪器使用的便携性,课题采用PHIPLIS公司的ARM7TDMI系列嵌入式控制芯片LPC2214为主控CPU,完成了最小系统,A/D转换、通信等模块的设计。同时为增强系统的人机交互性能,系统扩展了液晶显示的功能模块。软件上,以ADS1.2为开发工具,编写针对各个功能模块的应用子程序,完成数据的采集,处理和显示。本系统的功能和性能达到了预期设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 课题提出背景
• 1.2 建筑物围护结构含水率测试方法的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 本课题研究的内容
• 第二章 平面电容式传感器的理论分析及仿真
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型的建立
• 2.3 理想模型的计算与分析
• 2.3.1 从平行板电容器扩展到平面电容器
• 2.3.2 平面电容器电容的近似计算
• 2.3.3 平面电容器的电场强度和穿透深度
• 2.4 Maxwell 仿真及传感器探头的优化设计
• 2.4.1 电磁场计算常用的几种方法
• 2.4.2 电磁场有限元数学模型
• 2.4.3 有限元分析基本步骤
• 2.4.4 Maxwell 软件介绍
• 2.4.5 传感器探头的Maxwell 仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 湿度传感器的研制及信号提取电路的制作
• 3.1 引言
• 3.2 测量传感器的技术指标
• 3.2.1 穿透深度
• 3.2.2 信号强度
• 3.2.3 灵敏度
• 3.2.4 测量范围
• 3.3 传感器设计中的注意事项
• 3.3.1 传感器基片的选择
• 3.3.2 传感器电极
• 3.3.3 传感器的尺寸限制
• 3.3.4 基片背面保护电极的位置和尺寸
• 3.4 影响测量结果的因素
• 3.4.1 表面接触质量
• 3.4.2 寄生电容的影响
• 3.5 开发的微水分测量传感器介绍
• 3.5.1 传感器探头的仿真
• 3.5.2 C/V 转换电路
• 3.5.3 传感器的安装
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验环境的模拟
• 4.3 干砖重量及传感器测试干砖时输出电压
• 4.3.1 干砖块重量的记录
• 4.3.2 三个传感器测量干砖时的输出电压
• 4.4 实验一：传感器探测深度的验证及不同含水率对探测深度的影响
• 4.5 层析算法
• 4.6 实验二：将砖块分三层的实验及验证
• 4.6.1 实验过程及数据分析
• 4.6.2 实验二的验证
• 4.7 实验三：将第二或第三块砖加水的实验及验证
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统的硬件设计
• 5.1 引言
• 5.2 控制器芯片的选型及比较
• 5.3 LPC2214 ARM 微控制器
• 5.4 LPC2214 微控制器的最小系统
• 5.4.1 电源设计
• 5.4.2 晶振电路
• 5.4.3 复位电路
• 5.4.4 JTAG 接口电路
• 5.4.5 存储器扩展
• 5.5 A/D 转换
• 5.6 人机接口电路设计
• 5.6.1 液晶模块
• 5.6.2 键盘接口
• 5.7 通讯协议选取与接口设计
• 5.8 系统PCB 板设计及硬件调试
• 5.8.1 PCB 板的设计
• 5.8.2 系统硬件调试
• 5.9 本章小结
• 第六章 系统的软件设计
• 6.1 引言
• 6.2 软件开发环境与调试工具简介
• 6.2.1 ADS 1.2 集成开发环境的组成
• 6.2.2 EasyJTAG 仿真器及调试
• 6.3 启动代码综述
• 6.3.1 文件组成
• 6.3.2 各程序文件简介
• 6.3.3 启动代码工作流程
• 6.4 总体软件设计
• 6.5 各模块的软件设计
• 6.5.1 A/D 模块的程序设计
• 6.5.2 数字滤波
• 6.5.3 液晶显示驱动程序设计
• 6.5.4 串行通信子程序
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 部分器件实物图