海洋环境多物理参数传感检测技术研究

论文摘要

海洋环境参数检测技术主要应用在海洋资源与开发、海洋环境保护、海洋灾害、国际海洋合作研究以及军事海洋学等研究领域。近年来,随着对海洋资源勘探和海底工程建设的投入,开展海洋环境多物理参数探测技术已经成为推进海洋科学发展的关键技术之一。温度、深度和磁力强度作为海洋的最基本参数,通过对这三个参数的采集、测量和分析可以获取海洋各种环境参数的时空分布和变化规律,对海洋资源的认识、开发、利用具有重大的意义。本设计的目的在于研究和设计一套高分辨率和高稳定性的海洋环境多物理参数传感检测系统,对海洋温度、深度和磁力强度三个物理参数进行测量,并对测得的数据进行处理和分析,以达到实时检测海洋环境多物理参数的目的。本文主要分为以下几个部分进行阐述：首先,本文总结和分析了国内外海洋环境参数检测技术的研究现状和发展趋势。针对海洋环境的特殊应用环境,着重分析和研究了温度传感器、压力传感器和磁阻传感器的测量原理、内部结构、性能参数以及传感器的选型、特性分析和外部典型电路的研究。其次,本文重点描述了海洋环境多物理参数传感检测系统的设计过程。硬件部分基于Cortex-M3核的32位处理器STM32F103RC作为检测系统的微控制器,完成了系统硬件电路的设计,分别对惠斯通电桥电路、恒流源电路、磁力测量电路及置位/复位电路、高精度模数转换电路、电源电路、TF卡存储电路、处理器及其他外围电路进行模块化设计和实现,并总结了电路设计中需要注意的细节问题。软件部分主要包括下位机系统软件的设计和PC用户端软件的编写与实现,其中下位机系统软件包括A/D采集驱动程序、数据处理程序、串口通信程序、以FATFS为文件系统进行TF卡存储程序的编写和制定了文件数据压缩协议；在Visual Studio2008集成环境下编写了用户端的应用程序,实现与下位机系统进行通信,并实时显示、处理和分析数据。最后,对整个系统进行了相关的实验室测试,分别对温度、深度和磁力强度进行测量调试实验,对检测的数据和产生的误差进行整理和详细分析,结论结果证实了该系统工作性能稳定,已经基本满足了本课题的设计指标和要求。同时,对论文的全部工作进行了总结,分析和评估了测试中发现的一些问题,提出对整个系统进一步完善之处,并展望了海洋环境多物理参数传感检测技术的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 主要研究内容及论文组织结构
• 第2章 系统工作原理分析
• 2.1 温度测量
• 2.1.1 海洋温度测量原理及铂电阻特性分析
• 2.1.2 铂电阻选型
• 2.2 深度测量
• 2.2.1 海洋深度测量原理及压力传感器特性分析
• 2.2.2 压力传感器选型
• 2.3 磁力强度测量
• 2.3.1 海洋磁力强度测量原理及磁阻传感器特性分析
• 2.3.2 磁阻传感器选型
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统方案设计
• 3.1 系统设计要求与指标分析
• 3.2 下位机系统方案设计
• 3.2.1 温度检测模块方案设计
• 3.2.2 深度检测模块方案设计
• 3.2.3 磁力强度检测模块方案设计
• 3.2.4 系统的关键技术
• 3.3 PC用户端软件方案设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统硬件电路设计
• 4.1 系统硬件电路结构框图
• 4.2 微处理器STM32
• 4.3 关键硬件电路
• 4.3.1 惠斯通电桥
• 4.3.2 恒流源电路
• 4.3.3 磁力强度测量电路及置位/复位电路
• 4.3.4 信号调理电路
• 4.3.5 电源电路
• 4.3.6 TF卡存储电路
• 4.3.7 其他外围电路
• 4.4 电路设计中的若干细节
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 系统任务规划
• 5.2 下位机系统软件设计
• 5.2.1 A/D采集驱动程序
• 5.2.2 数据处理程序
• 5.2.3 串口通信程序
• 5.2.4 文件数据压缩协议
• 5.2.5 TF卡存储和FATFS文件系统
• 5.3 PC用户端软件设计
• 5.3.1 任务分析
• 5.3.2 通信命令介绍
• 5.3.3 文件读取功能
• 5.3.4 数据管理功能
• 5.3.5 图形化显示与简单分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统调试及误差分析
• 6.1 温度测量调试实验及分析
• 6.2 深度测量调试实验及分析
• 6.3 磁力强度测量调试实验及分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B