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水电大坝冰情连续测报系统的研究与应用

作　者: 陈宁
导　师: 秦建敏
学　校: 太原理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 堤坝传感器冰水情检测 C# 上位机冰水情处理算法
分类号: P335
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本论文是在中-俄(NSFC-RFBR)国际(地区)合作与交流项目：“基于空气、冰与水的物理特性测量冰厚度与力学强度的理论与试验研究(课题编号：60811120556)”、高等学校博士学科点博导类专项科研基金项目：“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(课题编号：20091402110004)”以及黄河水利委员会黄河水利科学研究院技术开发项目“黄河冰情自动监测系统研发与现场试验”等项目资助下进行的一项应用基础研究。我国是水利大国,水利事业随着我国经济的发展而不断发展,成为了国家经济发展和人民安居乐业的重要支柱。水力发电是我国电力能源的重要组成部分,在我国内陆水电资源中,目前可供开发的水电大坝选址大多数位于高海拔的西北、西南高寒地区,结冰对坝体形成的水平静压力是大坝安全运行的巨大“隐患”,并且库区冬季冰层厚度及水位的监测对水库发电、库区周边及上游河道的安全均有着密切的关联,寻求一种工程适用的水电工程大坝冰情自动检测方法与设备是国内外许多水电设计单位与企业一直关注但尚未获得解决的问题。针对这一现状,论文作者和课题组同事与中国水电顾问集团中南设计研究院水情水调公司合作,通过查阅大量的相关资料和进行现场调研,在“基于空气、冰与水物理特性差异的冰水情检测方法’基础上,结合单片机技术、GPRS技术和C#窗体界面编程技术等,设计、研制了一款适合于水电大坝的超低功耗冰情定点连续自动测报系统,并于2010年在云南-四川交接的金沙江上游巴塘地区党恩水电站成功进行了工程应用实验。本论文详细阐述了超低功耗冰情定点连续自动测报系统的设计过程以及对现场采集冰情数据的处理方法,内容包括：1.针对工程试验现场-金沙江上游四川省巴塘县党恩水电站特殊的地理环境特点：低温、地理位置偏僻以及无工业供电等,提出了测报系统应具备无人实时监控、超低功耗、可远程传输数据、发送命令,具有大容量存储空间等功能的系统总体设计方案；2.通过理论分析和实验室仿真,对“基于空气、冰与水电阻差异的冰情检测方法”在川藏高原特殊环境下的适用性进行了基础理论研究；3.基于总体设计方案确定的指导思路,论文详细讨论了现场数据采集系统的硬软件设计过程,包括使用GPRS模块进行远程数据的传输实验,基于UDP传输协议的C#语言冰情监测上位机处理软件；4.针对冰情测报系统现场采集数据存在奇异值而导致冰-水层与冰-空气层界面难以确定的工程难题,引入并编制了基于统计学的“最小二乘变点冰水情数据处理算法”,通过大量实际工程现场采集数据的验证分析,表明这一算法大大提高了冰情现场采集数据处理的准确性,解决了“基于空气、水与冰电阻差异的冰情检测方法”在工程技术转化应用中的一个重要难题。通过对工程应用现场系统运行状态的监测与获取数据的分析,表明本论文所设计的超低功耗冰情定点连续自动测报系统达到了预定的设计指标,实现了各项预定的系统功能；运行试验结果还表明,这一系统结构简单,成本低,具有友好的上位机人机交互界面,可以方便的进行远程数据提取和控制,可以为河道、水库大坝等野外恶劣工作环境下的冰水情数据定点连续自动监测提供一种可行的技术办法。但是,对设备运行状况以及后期数据的分析也发现了本系统还存在一些问题与不足,论文对这些问题产生的原因进行了分析,也对今后的改进和完善提出了看法建议。

全文目录

摘要  3-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-19
  1.1 课题的研究背景  13-14
  1.2 冰水情检测技术国内外发展现状  14-17
    1.2.1 国内外冰层厚度检测方法  14-16
    1.2.2 新型冰层厚度检测方法提出及改进  16-17
  1.3 论文研究工作内容简介  17-19
第二章系统总体设计  19-25
  2.1 系统功能指标设计要求  19-20
  2.2 系统总体技术方案介绍  20-22
  2.3 R-T冰层厚度传感器检测原理介绍  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章系统硬件设计与实现  25-47
  3.1 系统低功耗的硬件设计策略  25-26
  3.2 系统硬件的总体设计结构框图  26-27
  3.3 现场数据处理单元电路设计  27-39
    3.3.1 微控制器MSP430单片机电路设计及I/O引脚分配  27-29
    3.3.2 单片机复位及硬件看门狗电路  29-30
    3.3.3 系统实时时钟模块及其电路设计  30-32
    3.3.4 A/D转换电路设计  32
    3.3.5 SD卡存储模块及电路设计  32-34
    3.3.6 液晶显示电路及键盘电路设计  34
    3.3.7 系统串行通讯模块电路设计  34-36
    3.3.8 低功耗电源设计  36-38
    3.3.9 传感器级联扩展电路设计  38-39
  3.4 数据采集单元电路设计  39-42
    3.4.1 CPLD芯片电路设计及其管脚分配  39-40
    3.4.2 模拟开关电路设计  40-41
    3.4.3 DS18B20温度采集阵列  41-42
  3.5 基于GPRS的无线数据传输模块选型  42-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章数据采集系统的软件设计  47-67
  4.1 系统低功耗软件设计策略  47-48
  4.2 冰情测报系统主程序设计  48-50
  4.3 冰厚传感器采集模块程序设计  50-55
    4.3.1 冰层厚度传感器电压数据程序设计  51-53
    4.3.2 冰层厚度传感器温度数据程序设计  53-55
  4.4 基于FAT32的存储程序设计  55-57
  4.5 实时时钟及E~2PROM存储程序设计  57-59
  4.6 液晶显示及键盘操作模块程序设计  59-61
  4.7 系统GPRS通讯程序设计  61-65
  4.8 系统软件运行及实际功耗情况  65
  4.9 本章小结  65-67
第五章基于C#的上位机数据管理系统设计  67-79
  5.1 软件功能说明  67-68
  5.2 应用开发环境的选择  68-69
  5.3 数据采集socket网络通信方法及实现  69-71
  5.4 上位机软件的开发  71-77
    5.4.1 登陆界面设计  71-73
    5.4.2 系统主界面设计  73-74
    5.4.3 数据发送界面设计  74-76
    5.4.4 数据处理界面设计  76-77
  5.5 本章小结  77-79
第六章最小二乘法变点数据处理算法及现场应用  79-93
  6.1 数据格式及应用方法  79-82
  6.2 空气、冰与水的界面位置处理算法的探索  82-84
    6.2.1 基于曲线拟合的阈值判断算法  82-83
    6.2.2 基于传感器状态的经验阈值判断算法  83-84
  6.3 最小二乘变点冰水情数据处理算法  84-91
    6.3.1 变点分析概念及其方法  84-85
    6.3.2 最小二乘法变点分析理论依据  85-86
    6.3.3 最小二乘变点冰水情数据处理算法实现  86-88
    6.3.4 “最小二乘变点冰水情数据处理算法”应用  88-91
  6.4 本章小结  91-93
第七章总结与展望  93-97
  7.1 总结  93-94
  7.2 存在问题及对今后研究的建议与展望  94-97
参考文献  97-101
附录1 水电大坝冰情自动连续测报系统硬件电路原理图  101-103
致谢  103-105
攻读硕士学位期间发表的学术论文  105

水电大坝冰情连续测报系统的研究与应用

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