基于PSO21的电容式冰层厚度检测系统的设计

摘要

本研究是在2009年度高等学校博士学科点专项科研基金“基于空气、冰与水的物理特性差异检测方法在冰水情信息全天候自动监测领域的应用机理研究(项目编号：20091402110004)”和2009年山西省研究生优秀创新项目‘GSM／GPRS黄河河道冰、水情及冰凌灾害远程遥测系统的研制(项目编号：80010402100171)”资助下进行的一项技术应用研究．海洋、湖泊、河流、水库水冬季结冰是一种正常的物理现象，但是严重的冰冻灾害将给水上工程建筑设施、水产养殖业、水上运输及作业的正常运行带来不同程度的危害。近年来由于气候变化异常，不断发生的凌汛灾害，海冰灾害严重的影响了国民的经济发展和人民的正常生活，甚至威胁到人们的生命财产安全。实现冰凌和海冰的自动化检测就可以对凌汛和海冰灾害进行预警，将灾害带来的损失降到最低。冰层厚度是表征冰情变化的关键物理参数，本文应用空气、冰与水的电容特性差异的冰层厚度检测原理，在对原有电容式冰厚传感器进行了改进和完善的基础上，设计了一套基于电容数字转换器PS02]的电容式冰层厚度检测系统。内容主要包括以下几个部分：
　　 ⑴通过查阅大量相关资料，对国内外冰层厚度的检測现状和微小电容测量电路进行了详细的分析与研究，论文选择了基于空气、冰与水的电容特性差异的冰层厚度检测原理和基于PS02 I电容数字转换器的电容采集电路。
　　 ⑵针对黄河冰凌监测应用实际，使用项目组原有的电容式冰厚传感器和电容测量仪进行了大量的工程现场检测机理实验，优化了平行板电容传感器的结构，并通过电容的理论计算和建模仿真．进一步证明了基于空气、冰与水的电容特性差异的冰层厚度检测原理的可行性。
　　 ⑶在理论分析和实验基础一亡设计了新的冰层厚度检测系统并编写了相应的数据处理软件。检测系统硬件结构设计中采用MSP430F169作为整个系统的主控制单片机，单片机控制片选电路依次选通平行板电容器的各对平行金属电极，电容测量芯片．PS021将采集到的电容值通过SPI总线传到单片机上，由单片机完成数据的计算、存储等各项数据处理任务．数据处理软件采用C语言编写，主要实现单片机的控制以及各个硬件模块的功能。
　　 ⑷探讨了同面多电极电容传感器的原理、结构以及用于冰层厚度检測的可行性。通过对基于PS021的电容式冰层厚度检测系统的实验数据的分析，并与原有的检测系统的试实验数据进行比较，说明新的冰厚检测系统的优势，能够通过检测介质的电容特性区分出空气、冰与水的分界面，基本实现了冰层厚度的自动化检測。论文同时还指出了新的电容传感器的不足以及下一步的改进方向。

目录

第一章绪论

第二章电容式冰层厚度传感器的研究

第三章电容值的检测方法

第四章基于PS021的电容式冰层厚度检测系统的硬件设计

第五章基于PS021的电容式冰层厚度检测系统的软件设计

第六章实验数据分析及传感器的改进

第七章总结与展望

参考文献

附录实验典型电容数据

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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