高速公路积雪深度检测系统设计

摘要

降雪是气象要素中最难测量的要素之一,每年积雪灾害都给社会带来不可估量的损失,严重威胁人民群众生命财产安全,因此积雪测量显得尤为重要。本文在介绍国内外对积雪深度测量研究的基础上提出来一种无线的、非接触式的、自动测量积雪深度方式。采用超声波检测原理,在ZigBee技术基础上组建无线传感网络,将测量数据通过无线传感网络发送到控制中心上位机,实现高速公路积雪深度实时监控,根据灾害情况进行实时处理,并发布相应信息提醒广大司机,以减少交通事故的发生。高速公路积雪深度测量系统分为两个部分,一是测量系统,以STC89C52RC处理器为核心,控制超声波传感器发射、接收超声波信号,在加入温度补偿的基础上计算路面积雪深度；二是无线传感网络,以CC2430处理芯片为核心,在ZigBee技术基础上构建无线传感网络,接收测量系统发送的积雪深度数据,并转发到控制中心的上位机。
　　 本文首先分析超声波的物理特性、超声波测量系统原理与测量方法,对超声波测量盲区与误差进行了详尽的分析,并进行相应的补偿来提高测量精度；其次,通过几种方案对比设计出测量系统硬件电路图,采用模块化设计,给出了软件程序流程图；再次,通过CC2430组建无线网络,利用ZigBee技术实现无线数据通信,将测量系统数据发送出去；最后,制作出测量系统样机,进行测量试验,由于积雪对外部要求比较高,因此选择不同接触面、不同温度下采集多组数据,验证测量系统的精度和可靠性。通过试验表明,系统基本达到设计要求,并能通过无线传感网络将积雪深度数据发送到LABVIEW软件开发的上位机上。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 论文研究的意义

1.2 国内外现状

1.3 论文的研究内容

第二章 超声波积雪深度测量原理与方案

2.1 超声波的物理特性

2.1.1 超声波的衰减

2.1.2 超声波传播速度

2.1.3 超声波传感器选择

2.2 降雪量和积雪深度概念

2.2.1 降雪量的概念

2.2.2 积雪深度的概念

2.3 超声波积雪深度测量原理

2.4 超声波积雪深度测量方法

2.5 超声波积雪测量盲区处理

第三章 超声波积雪深度测量系统硬件电路设计

3.1 系统结构设计

3.2 超声波积雪深度测量系统设计

3.2.1 超声波测量系统发射驱动电路

3.2.2 脉冲变压器的设计

3.2.3 超声波积雪深度测量系统接收电路

3.2.4 测量系统主控MCU

3.3 无线传感网络设计

3.3.1 ZigBee协议栈架构

3.3.2 ZigBee网络拓扑

3.3.3 利用ZigBee构建WSN的模型

3.3.4 无线传感网络芯片CC2430介绍

3.3.5 ZigBee无线传感网络设计原理

3.4 液晶显示模块

3.5 串行数据通信模块

3.6 温度补偿电路设计

3.7 电源电路设计

3.8 PCB设计

第四章 超声波积雪深度测量系统软件设计

4.1 测量系统设计

4.2 中断服务子程序设计

4.3 无线传感器网络组网设计

4.3.1 协调器网络的建立

4.3.2 子节点入网过程

4.4 温度补偿程序

4.4.1 DS18B20的时序图

4.4.2 DS18B20的流程图

4.5 液晶显示模块程序

4.6 串口通信模块软件

第五章 提高超声波测量系统精度的措施

5.1 超声波在空气中传播时间修正

5.2 超声波在空气中传播速度的影响和修正

5.3 运用最小二乘法对测量数据线性化处理

第六章 实验结果及误差分析

6.1 软硬件环境的调试

6.1.1 样机所需要的仪器

6.1.2 软件开发环境

6.1.3 超声波测量系统标定

6.1.4 超声波信号

6.2 系统测量应用

6.2.1 测量系统精度比对试验

6.2.2 同一反射面条件下测量数据

6.2.3 不同反射面条件下测量数据

6.2.4 不同温度条件下测量数据

6.3 超声波测量系统产生的误差

6.3.1 超声波传感器固有频率带来的误差

6.3.2 其它误差来源分析

6.4 构建高速公路积雪深度测量系统

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

硕士在读期间发表的论文清单

附录