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《西北大学》 2016年
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电容式高精度雨量测量系统的设计与实现

来宝鹏  
【摘要】:随着人类对文化遗产关注度的提高,对其保护工作越来越受到重视,监测野外大型土遗址文物生存状态成为文物保护预警的主要任务。研究发现气候环境的变化对物质文化遗产带来的损害是文物生存状态恶化的主要因素之一,监测在复杂环境下大型土遗址文物区域内降雨量和降水强度是其生存状态监测的重要内容之一。本文针对文物保护预警需求设计了一种电容式高精度雨量测量系统,实现了对无人值守大型土遗址区域降雨信息的远程在线监测。系统以STM32为控制器完成了运算、控制和数据处理等功能;设计了非机械式电容结构雨量传感器和相应的雨量信号转换电路;研究了电容式雨量传感器的温度特性,通过BP神经网络算法模型对雨量传感器进行了温度补偿设计,提高了其测量精度;根据应用环境特点,设计了风能与太阳能互补的供电单元并采用大容量蓄电池储能,保证了系统的可靠工作;采用GPRS通信方式实现了降雨信息的远程、实时测量;耐候性设计提高了系统稳定性、拓展了其环境适应能力。通过对雨量测量系统长时间野外环境远程测试验证表明,系统测量精度小于0.1mm,测量误差小于3%,系统的测量结果与气象部门所测数据具有高度的一致性;蓄电池电压范围9.7V-12.6V,内部温度不低于5℃,表明耐候性设计满足系统设计要求,总体性能指标达到预期设计目标。
【关键词】:筒型电容 C/U转换测量电路 温度特性 BP神经网络算法 补偿
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P414.95;TP274
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 绪论10-16
  • 1.1 背景意义10-11
  • 1.2 雨量传感器发展及现状11-12
  • 1.3 常见雨量测量方法分析12-15
  • 1.4 主要内容及各个章节安排15-16
  • 第二章 雨量测量系统设计方案16-20
  • 2.1 系统需求分析及其设计指标16-17
  • 2.1.1 需求分析16
  • 2.1.2 主要技术指标16-17
  • 2.2 系统设计方案17-18
  • 2.3 本章小结18-20
  • 第三章 硬件设计20-54
  • 3.1 电容式雨量传感器设计21-37
  • 3.1.1 筒型电容结构设计及其理论分析21-27
  • 3.1.2 C/U转换测量方法分析27-30
  • 3.1.3 C/U转换测量电路30-34
  • 3.1.4 输入输出特性分析34-37
  • 3.2 雨滴检测模块设计37-38
  • 3.3 温度测量设计38-39
  • 3.4 STM32微控制器及控制电路设计39-43
  • 3.4.1 微控制器39-40
  • 3.4.2 A/D转换40-41
  • 3.4.3 显示电路41-42
  • 3.4.4 控制电路42-43
  • 3.5 无线数据传输单元43-44
  • 3.6 系统耐候性保障设计44-46
  • 3.6.1 简体辐射热量损失计算45
  • 3.6.2 筒体导热热量损失计算45
  • 3.6.3 自然对流热量损失计算45-46
  • 3.7 系统电源设计46-51
  • 3.7.1 供电设备选取46-48
  • 3.7.2 供电电源电路设计48
  • 3.7.3 风力发电控制电路设计48-50
  • 3.7.4 DC-DC降压电路设计50-51
  • 3.8 系统结构部分51-52
  • 3.9 PCB设计52-53
  • 3.10 本章小结53-54
  • 第四章 测量精度分析及系统软件设计54-80
  • 4.1 测量精度及其影响因素分析54-57
  • 4.2 BP神经网络算法57-71
  • 4.2.1 BP神经网络算法原理及应用58-60
  • 4.2.2 BP神经网络对雨量传感器温度特性补偿模型60-61
  • 4.2.3 BP神经网络样本数据61-65
  • 4.2.4 BP神经网络的学习和训练过程及仿真65-70
  • 4.2.5 应用BP神经网络算法补偿测试70-71
  • 4.3 开发环境71-72
  • 4.4 数据采集及控制程序设计72-73
  • 4.5 示程序设计73-74
  • 4.6 温度程序设计74-76
  • 4.7 GPRS模块通信程序设计76-77
  • 4.8 数据包格式77-78
  • 4.9 本章小结78-80
  • 第五章 系统测试及其数据分析80-90
  • 5.1 系统测试环境80-81
  • 5.2 系统测试及数据分析81-88
  • 5.2.1 系统功耗测试81
  • 5.2.2 实验室环境测试及数据分析81-83
  • 5.2.3 实际环境测试及数据分析83-88
  • 5.3 本章小结88-90
  • 总结与展望90-92
  • 参考文献92-98
  • 攻读硕士学位期间取得的科研成果98-100
  • 致谢100

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