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大坝变形实时监测设备的设计与应用

作　者: 瞿仕波
导　师: 周炎涛
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 大坝变形 CCD技术监测 μC/OS-II Cortex-M3
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 21次
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内容摘要

近年来，我国水电事业飞速发展，如何确保水电站的安全稳定运行成为目前各大水电站研究的重要课题。在水电站中，对大坝安全进行实时监测是保障其经济效益和人民安全的重要手段，而变形监测在大坝安全监测体系中又起着尤为重要的作用。通过监测设备将坝体、坝基和坝肩的变形量及时进行反馈，然后根据测量数据对水电站运行情况做出评估和预测是确保水电站安全、经济、稳定地运行，并及时发现异常现象或工程隐患的必要措施。本文根据水电站对大坝变形数据进行实时监测的要求，设计了一种基于STM32F103VC的大坝监测设备。设备采用电荷耦合元件测量线体位置变化，从而实现大坝在水平或垂直方向形变的实时监测。设备将最终结果在工业级LCD上进行显示，并可通过按键或上位机软件的操作进行显示数据和测量参数的调节和控制。本文通过硬件电路的改进、边缘检测算法的改进以及μC/OS-II操作系统的移植，大大提高了设备的稳定性、实时性以及测量精度。首先，设备在硬件电路上通过对CCD信号噪声的预处理、通信模块的隔离和阻抗匹配等措施提高了设备的抗干扰性；通过对电源电路进行自我保护设计，不仅加强了对于设备的异常处理和自恢复能力，也同时将数据传输的误码率降低至10-6以下，加强了设备的稳定性。其次，论文对CCD信号进行相关双采样及AD转换并根据图像特点采用了改进的图像边缘检测算法，同时对检测数据进行直线拟合进行边缘点的确定，从而大大提高了监测的精确度。最后，论文对μC/OS-II操作系统进行裁剪和移植，实现了对每个细分任务的切换和调度，优化了系统功能模块的软件管理流程，进一步提高了监测系统的实时性和稳定性。本文所设计的大坝实时监测系统从监测精度、监测稳定性、监测智能化等方面都进行了优化和改进，已经达到并远远优于《大坝安全监测自动化技术规范》中的要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题的研究背景及意义  11-12
  1.2 大坝变形监测的研究现状和发展趋势  12-13
    1.2.1 大坝变形监测发展现状  12-13
    1.2.2 大坝变形监测发展趋势  13
  1.3 大坝变形监测的主要技术  13-15
    1.3.1 大坝水平位移监测技术  14-15
    1.3.2 大坝垂直位移监测技术  15
  1.4 论文主要研究内容和结构  15-17
第2章大坝变形监测技术基础  17-24
  2.1 变形监测系统基本原理  17-19
    2.1.1 液体静力水准法  17-18
    2.1.2 引张线法  18-19
  2.2 大坝变形测量方法  19-20
  2.3 CCD 传感器  20-23
    2.3.1 CCD 基本原理  20-22
    2.3.2 CCD 芯片选择  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章大坝变形实时监测设备总体结构与硬件设计  24-40
  3.1 大坝变形监测设备总体结构设计  24-25
    3.1.1 设备设计要求与性能指标  24
    3.1.2 监测系统整体设计  24-25
  3.2 电源模块设计  25-27
  3.3 核心控制模块  27-28
  3.4 图像采集模块  28-31
    3.4.1 预处理电路  28-29
    3.4.2 相关双采样及 AD 转换  29-31
  3.5 通信模块设计  31-32
  3.6 时序驱动模块设计  32-38
    3.6.1 CCD 驱动  33-34
    3.6.2 相关双采样时序  34-36
    3.6.3 驱动时序仿真  36-38
  3.7 人机接口及输出模块设计  38-39
    3.7.1 LCD 显示  38
    3.7.2 外部按键中断  38-39
  3.8 存储模块设计  39
  3.9 本章小结  39-40
第4章大坝变形实时监测设备软件设计  40-61
  4.1 大坝变形实时监测设备软件平台构建  40-45
    4.1.1 μC/OS-II 内核分析  40-41
    4.1.2 μC/OS-II 移植整体设计  41-42
    4.1.3 μC/OS-II 源代码的修改  42-45
    4.1.4 工程编译及移植验证  45
  4.2 大坝变形监测设备软件总体设计  45-47
  4.3 大坝变形监测设备子任务设计  47-55
    4.3.1 系统主程序  47-48
    4.3.2 看门狗任务  48-49
    4.3.3 通信协议解析任务  49-52
    4.3.4 按键扫描任务  52-54
    4.3.5 LCD 显示任务  54
    4.3.6 数据存储及读取任务  54-55
  4.4 监测数据采集与处理  55-58
    4.4.1 边缘检测原理  55-57
    4.4.2 监测数据采集与处理任务设计  57-58
  4.5 大坝变形监测任务间通信  58-60
    4.5.1 设备任务触发信号量  58-59
    4.5.2 消息队列  59-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章大坝变形实时监测设备测试与分析  61-66
  5.1 变形监测设备稳定性测试  61-62
    5.1.1 变形监测设备稳定性测试平台及方法  61-62
    5.1.2 变形监测设备稳定性测试结果及结论  62
  5.2 变形监测设备精度测试  62-63
    5.2.1 变形监测设备精度测试平台及方法  62-63
    5.2.2 变形监测设备精度测试结果及结论  63
  5.3 变形监测设备组网测试  63-65
    5.3.1 变形监测设备组网测试平台及方法  64
    5.3.2 变形监测设备组网测试结果及结论  64-65
  5.4 本章小结  65-66
总结与展望  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文  72-73
附录B 攻读学位期间参与科研工作情况  73-74
附录C 部分原理图  74-75
附录D 电路 PCB 版图  75-77
附录E 部分移植代码  77-79
附录F 部分应用程序代码  79-81

大坝变形实时监测设备的设计与应用

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