论文摘要
近年来极地冰川和内陆高原冰川消融幅度比较大，另外，我国北方地区的大河、大江都存在着不同程度的凌汛问题。要了解冰川融化和冰凌的发生，就离不开对冰层厚度的测量。鉴于此本文提出了利用空气、冰、水的电容差异测量冰层厚度的新方法。通过大量的实验结果分析发现三者电容值存在数量级上的差异，可以将测得的电容值转化为频率或者数字信号，由于电容值存在数量级上的差异，那么在传感器逐点测量中，如果有频率或者数字信号的跳变，就说明是测量的介质由一种变为了另外一种。只要测出两次这样的跳变，那么就可以分辨出冰层的上界面和下界面了，上下界面之差就是冰层厚度了。以下简要介绍了整个系统的设计。在本文中主要介绍了测量冰厚的电容传感器的结构，电容转换为频率或者数字信号的信号调理电路，数据处理电路及上位机的显示与处理。电容传感器结构是由按照等间隔排列的多组平板电容组成，内部设计了每个电容的选通电路。信号调理电路设计了三种调理方式：一种是采用专用芯片AD7745实现电容直接转换为24位数字信号；另外两种采用了不同的振荡电路实现电容向频率的转换。在信号调理电路中还完成了接受采集指令进行数据采集以及向数据处理电路发送采集数据。数据处理电路是以单片机为核心包括时钟、存储、通讯等的电路。时钟电路不仅提供了测量的实时时间，而且产生一分钟一次的中断信号用于单片机向信号调理电路发采集指令。由于在数据传送中有可能会丢失或者传输错误，也有可能上位机没有实时的接收数据，所以设计了存储数据电路以便日后补测数据。上位机的显示与处理程序中包括了数据存储、数据分析处理及显示实验数据得出冰层厚度。通讯主要有三种方式：第一种方式是利用串口与上位机通讯，适合近距离的数据传输；第二种方式是利用RS232转CAN总线实现数据远传和多个传感器的联网控制；第三种方式是通过GPRS／GSM模块实现数据的远传。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 课题研究的意义1.2 国内外冰层厚度的监测现状1.3 利用空气、冰、水电容差异测量冰厚的机理研究1.3.1 实验机理1.3.2 实验的条件和实验模型1.3.3 实验方案1.3.4 理论分析及实验数据分析第二章 传感器的工艺结构设计及内部电路设计2.1 传感器结构的几种设计2.2 传感器内部电路器件选型及电路设计第三章 传感器信号调理电路的软硬件设计3.1 电容转换为数字信号的调理电路设计及部分程序3.1.1 电容转换为数字信号的调理电路设计3.1.2 调理电路中测量数据的流程图及程序3.2 电容转换为频率的信号调理电路设计3.2.1 两种不同调理电路原理图3.2.2 两种调理电路下对传感器采集数据的程序设计第四章 传感器处理电路的方案设计及器件选型4.1 方案设计4.2 器件选型4.2.1 单片机选型4.2.2 大容量历史数据存储4.2.3 系统时钟4.2.4 CAN总线芯片4.2.5 GPRS/GSM模块的选型第五章 传感器的数据处理电路的软硬件设计5.1 单片机系统的原理图介绍5.1.1 单片机复位电路5.1.2 电源稳压电路5.1.3 时钟电路5.1.4 存储电路5.1.5 CAN总线电路5.2 通讯电路的原理图介绍5.2.1 RS232通讯电路5.2.2 单片机与外围电路的接口及单片机下载程序接口图5.2.3 GPRS通讯电路5.3 数据处理电路软件通讯协议及主程序设计5.3.1 单片机系统软件通讯协议5.3.2 数据处理电路主程序流程图5.3.3 系统初始化的设计的部分程序及注释5.3.4 分中断服务程序设计、流程图及部分程序5.3.5 数据存储的程序设计及部分源程序5.3.6 通讯中断程序设计、程序流程图及部分串口程序5.4 GPRS/GSM模块中软件设计5.4.1 GPRS模块的通讯机制5.4.2 GPRS模块主程序框图5.4.3 GPRS模块的中断服务程序框图5.4.4 GPRS模块与主机建立TCP/IP连接的部分程序5.4.5 GPRS模块中断服务的部分程序第六章 上位机软件设计6.1 主界面及控制界面6.2 串行口通信的实现6.3 GPRS模块通讯的实现第七章 软件、硬件抗干扰设计7.1 数字滤波技术7.2 指令冗余技术7.3 软件陷阱技术7.4 设置软件看门狗7.5 CAN总线的数据冗余技术7.6 硬件防雷抗干扰设计第八章 系统总结及展望8.1 系统总结8.2 传感器及系统展望参考文献附录1附录2致谢攻读学位期间发表的学术论文目录
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