具有总线温度梯度自动检测功能的新型冰层厚度传感器及其检测系统的研究

论文摘要

近年来，随着全球变暖，对冰情的研究已成为国际研究的热点。冰是一种普遍存在的自然现象，它与人们的生产生活密切相关。它的生消变化受多种因素的影响，利用空气、冰与水的电阻率差异进行冰层厚度与冰下水位检测的冰层厚度传感器及其检测系统是一种可以对冰层内部生消过程进行连续自动化检测的新的冰情检测系统。在中国第21、22次南极科学考察中得到应用，但由于冰与水的电阻值受温度影响很大，特别是对冰水混合的冰层上下界面的判断影响尤其严重。为了解决这一难题，本论文提出在原有冰层厚度传感器结构中增加对被测空间进行温度梯度同步自动检测的功能，从而有可能改进冰检测系统目前存在的冰层界面难于界定的难题。基于以上设想，本文在分析了现有的各种温度传感器和各种总线特性的基础上，选择了单总线技术的集成温度传感器DS18820组网进行多点温度检测。它具有与系统连线简单，便于多点测量，可选择供电方式，测温范围广，分辨率高，可编程且具有负压特性(在极性接反时温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作)。采用理论探讨与实际开发相结合的方法，本论文对数字温度传感器DS18820测温原理进行深入研究，给出了提高其测温精度的改进算法，使系统性能得以提高。并在对美国DALLAS公司开发的一线总线技术及其通信协议深入了解的情况下，以美国DALLAS公司的一线总线技术为核心，结合单片机数据处理技术，提出了具有总线温度梯度自动检测功能的新型冰层厚度传感器及其检测系统的设计思想，研制出一套简洁实用、精确稳定、使用直观、维修方便的多参数冰情检测系统。在实验的基础上，本文提出了数据采集仪器对DS18820 ROM码的二叉树搜索方法。这种方式有利于系统维护，即使更换系统所连接的单总线器件，也随时可以进行正常的温度检测工作，而无须人工读取其ROM码并重新设置数据采集系统。在对多种数据传输方式进行分析、比较的基础上，本文选择了适合于南极科学考察环境的以无线数传模块为依托的数据传输方式。上位数据管理PC机的人机交互操作界面设计采用了当前比较流行的组态软件——“组态王6.5”，它具有开发成本低、开发周期短、可靠性高、可视性强、便于操作应用等优点。新型冰层厚度传感器由于增加了总线温度梯度自动检测功能，不仅可以完成对整个冰层内部的冰生消状态、冰下水位的自动连续检测，而且也可以同时实现对整个冰层与冰下水层温度梯度的同步自动检测，新系统不仅增加了冰情检测系统的功能，也为克服旧的冰情检测系统存在的技术难题提供了一种可供选择的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 本文主要研究的内容
• 第二章 温度传感器的选择
• 2.1 温度传感器的分类
• 2.1.1 按制成材料分类
• 2.1.2 按信号输出类型分类
• 2.1.3 按信号传输方式分类
• 2.1.4 温度传感器的确定
• 2.2 BS18B20介绍
• 2.2.1 BS18B20主要特性
• 2.2.2 BS18B20引脚说明
• 2.2.3 BS18B20的内部结构
• 2.2.4 BS18B20供电方式选择
• 2.2.5 BS18B20的工作原理
• 2.2.6 BS18B20温度值的计算
• 2.2.7 BS18B20的读写时序
• 2.3 提高BS18B20的测温精度
• 2.4 二叉树搜索算法在智能温度传感器识别、排序、编号中的应用
• 2.4.1 1-Wire智能温度传感器的RESEARCH ROM命令
• 2.4.2 二叉树搜素算法
• 2.4.3 基于二叉树算法的智能传感器识别、排序、编号原则
• 第三章 数据采集系统硬件设计
• 3.1 具有温度梯度检测功能的冰层厚度传感器
• 3.1.1 温度检测传感器与冰层厚度传感器相结合的结构
• 3.1.2 电阻式冰层厚度传感器的结构及其工作原理
• 3.2 数据采集仪器设计
• 3.2.1 数据采集仪器设计
• 3.2.2 BS18B20的单总线系统构成与微控制器的连接
• 3.3 数据传输方式的选择
• 3.3.1 常用数据传输方式介绍
• 3.3.2 无线数据传输模块介绍
• 3.3.3 GW200EB硬件连接
• 第四章 数据采集仪器软件设计
• 4.1 单片机系统软件设计概述
• 4.2 系统功能概述
• 4.3 主程序设计
• 4.4 系统初始化
• 4.5 时间判断子程序
• 4.6 按键处理子程序
• 4.7 温度数据采集程序
• 4.8 通信程序设计
• 4.8.1 串行通信概述
• 4.8.2 通信中断服务程序流程图
• 4.8.3 监测站与PC机有线通信
• 4.9 软件抗干扰设计
• 4.9.1 数字滤波技术
• 4.9.2 指令冗余技术
• 4.9.3 软件陷阱技术
• 4.9.4 程序监视系统
• 第五章 上位机数据管理系统
• 5.1 软件开发工具
• 5.1.1 组态软件产生的背景
• 5.1.2 组态软件在我国的发展及国内外主要产品介绍
• 5.1.3 组态软件的功能特点发展方向
• 5.1.4 总结
• 5.2 组态王
• 5.2.1 软件概述
• 5.2.2 软件开发环境
• 5.3 软件总体设计
• 5.3.1 与数据采集仪器的通信
• 5.3.2 界面设计
• 5.3.3 数据库
• 5.3.4 曲线绘制
• 5.4 运行、调试及应用
• 第六章 结论与展望
• 附录
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文