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基于DSP的蒸发液滴图像反馈控制系统

作　者: 蔡世界
导　师: 于强
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: DSP 蒸发速率图像处理稳态蒸发接触角
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

由于液滴蒸发的换热效率远比空气流动的换热效率高,而换热问题广泛存在于微电子学等工业和民用领域。所以对液滴蒸发的研究具有重要的应用价值。空间液滴蒸发热毛细对流实验参数的测量是研究液体蒸发的重要手段。由于液滴具有蒸发特性,在实验所要求的时间内(十小时左右)必须连续地补充液体才能保持液滴存在。并且由于液滴的流动性特点,不能采用接触式方法对液滴的几何和物理参数如液滴体积、表面积、表面张力、接触角等进行测量。鉴于液滴的上述特性,在空间无人值守环境下,针对蒸发与流体界面效应空间实验而设计专用的试验装置就成为一个值得研究的课题。基于DSP的液滴图像反馈控制系统是为监控返回式科学实验卫星上的蒸发与流体界面效应空间实验而开发的专用设备。该系统具有以下功能:在实验过程中采集并存储液滴图像,计算实验液滴的几何和物理参数并保持液滴的体积不变。为实现上述功能,构建了由图像采集、图像处理、反馈控制三个部分组成的系统。首先采用CCD相机采集图像并将其输入到DSP视频处理板,在视频处理板中进行图像压缩并传送至主机。然后采用图像预处理技术来对液滴的轮廓进行抽取。利用液滴的旋转对称性,通过分析液滴的轮廓来计算液滴的体积和表面积。根据拉普拉斯方程对液滴的轮廓进行拟合可以得到表面张力和接触角。最后,采用PID控制方法,由DSP发出驱动注液器控制命令来注液以保持液滴的体积不变,从而通过计算单位时间内的注液量来计算蒸发过程中的蒸发速率。系统的实现使得在7秒甚至更短的周期内测量液滴的各项参数成为可能。经过实验验证,系统可持续12小时稳定运行,测量数据误差在1%以内,水滴和酒精液滴体积始终稳定在目标体积的5%以内。该系统的实现不仅为蒸发与流体界面效应空间实验提供了装备,而且为研制其他需要观测实验进程的空间实验装备提供了可参考的实例。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-14
  1.1 选题的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究动向  11-13
  1.3 研究内容  13-14
第2章系统原理及概述  14-34
  2.1 图像预处理原理  14-23
    2.1.1 边缘检测－SOBEL 梯度算子  15-16
    2.1.2 门限处理  16-17
    2.1.3 连通区域标记算法  17-22
    2.1.4 目标区域边缘轮廓线的提取  22-23
  2.2 参数计算  23-30
    2.2.1 体积表面积求解  23-24
    2.2.2 接触角及表面张力求解  24-27
    2.2.3 反馈控制及蒸发速率的求解  27-30
  2.3 图像及参数传输  30-34
    2.3.1 图像压缩  30-32
    2.3.2 图像及参数传输  32-34
第3章基于DSP 的蒸发液滴图像反馈控制系统硬件方案设计  34-39
  3.1 光源  34
  3.2 CCD 相机  34-35
  3.3 DSP 视频开发板  35-38
    3.3.1 DSP 视频开发板概述  35-36
    3.3.2 DSP 芯片特点及选择  36-37
    3.3.3 DSP 芯片的基本结构  37-38
  3.4 微注液泵  38-39
第4章基于DSP 的蒸发液滴图像反馈控制系统软件设计  39-59
  4.1 DSP 嵌入式软件设计  39-51
    4.1.1 DSP 系统软件的设置  39-41
    4.1.2 DSP 系统应用软件的设计  41-51
  4.2 DSP 视频开发板上软件代码优化  51-54
    4.2.1 分析C 代码性能  51-52
    4.2.2 C 语言优化  52-54
  4.3 上位机图像显示和存储设计  54-59
    4.3.1 参数注入  54-55
    4.3.2 数据接收  55-56
    4.3.3 存储与显示  56-59
第5章成果与展望  59-63
  5.1 研究成果  59-62
    5.1.1 界面演示  59-61
    5.1.2 实验结果  61-62
  5.2 进一步工作展望  62-63
参考文献  63-66
发表文章目录  66-67
致谢  67

基于DSP的蒸发液滴图像反馈控制系统

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