全天候流域河道水情现场采集系统的设计与研制

论文摘要

本论文是在国家自然科学基金项目“冰层厚度传感器及其检测方法的研究”（60672028）和山西省回国留学人员重点项目“山西省全天候流域河道水情遥测系统”（2007-2）资助下进行的一项应用研究。基于空气、冰和水的电阻率特性差异的冰厚传感器在中国第24次南极科学考察海冰观测项目中得到了应用。对其应用情况和实验数据进行分析后发现,由于传感器在几何结构、电路结构的设计、数据处理算法等方面存在的一些缺陷,影响了整个海冰观测系统数据测量的稳定性和准确性。在此基础上,结合实际工程对河道冰、水情检测现场数据采集技术的需求,本论文设计并研制了新的全天候流域河道水情现场采集系统。新系统改进了传感器的外型结构、简化了采集电路、优化了数据处理算法,提高了系统的数据采集可靠性,从而提高了整个系统的精度和运行的稳定性。本文主要包括以下几个部分:1)通过实验室对空气、冰与水的电阻、温度特性的观测实验,对获得的大量实验数据进行研究、分析,验证了对电阻值与温度梯度两种参数度同时采集的冰水情信息处理模式。2)分析基于空气、冰与水的电阻特性差异的冰厚传感器在大连的低温老化实验和在中国第24次南极科学考察应用中的成功经验与教训和不足。3)详细的介绍了全天候流域河道水情现场采集系统的组成、实现结构和工作原理。4)介绍全天候流域河道水情现场采集系统的冰厚传感器的新型几何结构、组成结构、工作原理及数据采集电路的硬件、软件设计过程。5)介绍全天候流域河道水情现场采集系统的水情测报仪的组成结构、硬件设计和软件设计,数据处理算法的优化及使用说明书。6)对采集系统的在现场应用中采集到的大量数据进行了细致的分析,验证了新系统的可行性和实用性,为现场工程应用的完善与改进提供了依据。新研制成功的全天候流域河道水情现场采集系统于2008年6月在汾河流域实现了安装应用,系统的测量精度和运行的稳定性确实得到了提高,达到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 国内外水情检测系统发展状况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 基于空气、冰与水的物理特性差异实现冰水情检测机理的实验研究
• 2.1 基于空气、冰与水的物理特性差异实现冰水情检测机理
• 2.1.1 空气、冰与水的电阻值随温度变化的特性与温度梯度分布规律
• 2.1.2 空气、冰与水的电阻值、温度特性实验及实验数据分析
• 2.2 全天候流域河道水情现场采集系统的设计依据
• 第三章 全天候流域河道水情现场采集系统的整体结构
• 3.1 全天候流域河道水情现场采集系统的实现结构
• 3.2 全天候流域河道水情现场采集系统的工作原理
• 第四章 新型冰厚传感器
• 4.1 新型冰厚传感器的工作原理
• 4.2 新型冰厚传感器的几何结构设计
• 4.3 新型冰厚传感器的硬件设计
• 4.4 新型冰厚传感器数据信息处理单元电路
• 4.4.1 可编程逻辑器件型号的选择
• 4.4.2 模拟开关的型号选择
• 4.4.3 温度传感器的选择
• 4.5 CPLD 的程序
• 4.5.1 CPLD 程序设计思路
• 4.5.2 CPLD 的源程序
• 4.6 新型冰厚传感器的调试
• 4.6.1 数据信息处理单元电路调试
• 4.6.2 DS18B20 的调试
• 第五章 水情测报仪
• 5.1 水清测报仪的硬件电路设计
• 5.1.1 MSP430 单片机
• 5.1.2 模/数转换器件
• 5.1.3 系统实时时钟
• 5.1.4 大容量数据存储器
• 5.1.5 电源
• 5.1.6 串口芯片的选择和电路
• 5.1.7 LCD 和按键的选择和电路
• 5.1.8 复位芯片选择和电路
• 5.2 水情测报仪的软件设计
• 5.2.1 主程序模块
• 5.2.2 冰厚传感器采集模块
• 5.2.3 静压式传感器采集模块
• 5.2.4 温度采集模块
• 5.2.5 键盘判别模块
• 5.2.6 液晶显示模块
• 5.2.7 软件滤波及数据处理方法
• 5.3 水情测报仪的调试
• 5.4 水情测报报仪的使用说明
• 第六章 全天候流域河道水情现场采集系统工程应用及数据分析
• 6.1 全天候流域河道水情现场采集系统的现场应用
• 6.2 全天候流域河道现场采集系统的现场安装调试
• 6.2.1 河岔站的安装调
• 6.2.2 汾河水库的安装调试
• 6.3 现场实验数据分析
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 1 实验室冷冻实验电阻分压数据
• 附录 2 实验室冷冻实验温度压数据
• 附录 3 全天候流域河道水情现场采集系统工程试用水情数据
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文