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太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景 冰冻现象普遍存在于我国北方地区，它给我国水利、水电工程设施、 水文预报、航运及海上作业的正常运行带来影响；凌汛又是威胁黄河流域 数千公里封冻河道沿岸人民的生命安全与水电工程设施安全的重大自然 灾害隐患之一，近几年关于黄河冰凌报道逐年增多，2 0 0 1 年发生在内蒙古 乌海市黄河冰凌决堤，2 0 0 4 年发生在黄河山西省境内的小北干段，永济黄 河段的冰凌险情就是实例”“”：我国北方目前己运行的长距离输水工程， 冬季结冰与冰凌一直是关心的首要问题。已经启动的南水北调工程，其穿 越北方地区，冬季结冰在明渠段是不可避免的现象”4 1 。对冬季黄河及其它 河流明渠的河冰生消过程进行自动监测，再辅以河冰生消，封河、开河时 间，冰塞形成预报，是保证黄河及其它河流明渠冬季安全运行的一项科学 技术问题。从水利部信息中心水文监测处调研中我们也了解到，由于没有 可供实际使用的冰生消过程自动检测设备，目前我国北方地区冬季对河流 冰层厚度、冰下水位的监测完全采用人工凿洞或钻冰进行，是我国水文自 动监测、灾害预警系统的一个“技术、设备盲区”。此外我国渤海和极地 海冰研究中冰厚度现场连续自动测量也是制约冰热力学研究、冬季安全运 行的关键。虽然我国和一些发达国家已采用卫星或雷达冰大面积变化进行 监测，但这一方法尚无法满足对冰层生消变化过程的自动监测的需求，无 法获得冰层厚度和冰下水位变化过程的实时数据。所以，冰层厚度的高精 度自动化监测从理论到技术依然为一个尚未解决的国际性难题1 近年来，极地冰川和内陆高原冰川消融幅度比较大，这是影响全球气 温变化和人类生存环境的重要因素之一。“。在极地考察中有关极地冰的生 消变化的监测目前也只能依靠雷达，但对冰川及非平整冰的测量误差较 l 太原理工人学硕士学位论文 大。不能得到准确连续的数据。使我国的极地的科学考察对海冰的自动化 监测成为空白。 1 2国内外发展状况 目前国内外应用的冰生消监测技术可归纳为三种类型，一类是直接测 量法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰厚和水位，我国北方水文站主要 采用这种方法。它的优点是数据可靠，缺点是自动化程度低、劳动强度高、 危险性大，不能保证在同一地点自动定时监测或在多地点进行同步自动化 连续监测，所以至今没有完整的冰生消过程变化数据，影响到冰的生消预 测预报；第二类是通过卫星或雷达进行遥测，其优点是适宜于对大面积冰 监测。，缺点是无法掌握局部小范围冰层结构内部的生消变化过程，难于 应用到许多宽度狭窄的黄河及其它河流明渠以及水利设施的冰监测；第三 类方法是电磁学、声学等物理探测方法，如超声波探测法。它们的优点是 操作简单、迅速，但缺点是误差大。其误差主要来自冰性质对电磁波或声 波的影响。渤海海冰物理和力学性质研究成果表明冰的温度随时间和空间 在不断地变化“，而冰的温度变化直接控制着冰声学性质、电学性质和 光学性质“。所以物理探测方法的结果被复杂多变的气象条件和冰结构条 件影响着，难以找到合理的途径消除和降低这些误差：作为坐底式海冰冰 层厚度探测最佳技术方法的仰视声纳，经过俄罗斯学者在萨哈林的现场研 究发现“，典型误差是3 0 厘米，这个误差比黄河和国内某些其它河流明 渠的冰厚度还大。 1 3本研究课题的市场前景 渠道、河流、水库和湖泊冰层厚度、冰下水位变化的自动检测在极地 考察及我国有广阔的应用前景： 1 准确的掌握极地冰的连续的生消变化，可以为极地气候环境的变 太原理工大学硕士学位论文 化提供科学依据。 2 准确掌握冰形成过程，为提高我国冰凌、冰塞形成机制预报研究 的水平提供科学保证：通过安装技术的改进，实现对春季凌汛浮冰厚度的 检测，为凌汛防治科学管理提供依据。 3 新设备将给我国的南水北调工程及其它长距离调水工程冬季水位 和冰厚度变化的自动化监测提供经验与借鉴技术? 另外，对结构物冰厚度 和冰破碎堆积厚度的自动检测，能够为结构物抗冰能力的评估和设计提供 依据。 4 新技术能为北方水文站的常规冰厚观测提供良好的装备。 1 4 本课题的研究内容和方法 利用冰的直流导电性对冰的生消变化进自动化观测是在与大连理工 大学海岸及近海工程实验室联合进行冰厚自动化测量过程中研究的一种 新方法。总体思路是：若把河( 海) 抽象为一个由从上到下依次为空气一 冰冰水混合一水组成的封闭模型。利用冰的微弱直流导电性质，通过在 较短冰距( 1 0 c m ) 以内对冰面下各点的电压测量，得到其等效电阻。将这 等效电阻与封闭模型中冰、冰水混合、水不同形态时的等效电阻范围进行 比较，以确定该点的实时状态。然后以计算机图形的方式来显示出河( 海 冰的某一区域内冰生长、消融的变化。 围绕极地考察中海冰厚度变化、黄河及其它河流明渠冰厚度动态渡测 技术问题，对有潜在麓力的冰层厚度空气冰水电导式界面测定法进行研 究的主要内容包括： 水、冰的直流导电性研究： 利用冰的直流微弱导电性确立对冰层厚度传感器的设计方法： 对采集到的数据进行处理及进行自动化观测的方法： 通过理论研究与实验室和现场试验相结合的方法，通过对大量的实验 j 太原理工大学硕上学位论文 数据的分析确立理论基础，实现冰层厚度自动化检测系统。 1 5课题的确立 经过对国内外目前冰层厚度检测状况的分析与研究，取长补短。对本 课题的实际意义和应用前景等方面的相关文献进行了检索，并阅读了3 0 多篇文献，掌握了设计利用冰的导电性进行冰层厚度自动化检测系统所应 具备的一系列基础知识。总结上一届研究生有关冰的研究方面得经验和教 训，通过大量的实验进行冰的导电性进行基础研究与分析。 2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季，基于极地海冰厚度变化的动态监测技术原理和基 础理论问题“，大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室和太原理工 大学测控技术研究所联合组队在汾河河段上进行了为期一个月的冰厚度 现场动态监测试验，经过对试验结果的分析，发现利用空气、冰、水的不 同介质的导电性试验的空气冰水电导式界面测定法具有较大的研究和 开发潜力。该方法不仅能解决极地海冰厚度变化动态监测，而且能够解决 国内河冰厚度的动态连续自动监测。 4 太原理工大学硕士学位论文 第二章水、冰的导电性基础理论研究 2 1 水的导电性理论 由物理学和水分子化学理论我们知道，在非纯净的自然水( 包括般 的雨水、自来水、地下水、河水、湖水和海水等) 中包含有不同浓度的电 解质，也即带有正、负电荷的各种导电离子。如：h + 、0 h 一、n a + 、c l 一、f 、 i 一等。当我们通过电极在水溶渡容器内施加电场后，由于电场力的作用， 水溶液中的离子会在两电极之间产生定向运动，形成电流。这一现象我们 称其为水的导电特性，这一特性可以通过水的电导率( 或电阻率) 值来反 映。 水的导电率是指在特定温度下，l c m 2 水溶液相对两面问的电阻。以p 表 示，单位为q c m 。水的电阻率值与溶液中离子的种类、浓度，水温及测 量方式等有关，在一定条件下，电阻率值可以反映水中总电解质的量”。 电导率为电阻率的倒数，以o - 表示，单位为s c m 。溶液的电导率具有 加和性，即总电导率等于各离子的电导率的总和，离子电导率等于其摩尔 浓度与无限稀释离子摩尔电导率之积 盯= 盯l + d 2 十。+ 吒+ 1 p = 盯 = 茚g 式中，耳为j 离子的无限稀释离子摩尔电导率，c ，为i 离子的摩尔 浓度。 设水中仅含n a + 和c 1 ( 其浓度为c ) ，则水的电阻率( 2 5 。c ) 为 太原理工大学碗上学位沦文 l d2 t 3 r ? c a + o c r 七o h + + o d h 设水为中性，则 h + = o h 一 ：1 0 。( m o l l ) 盯+ + 仃d h 一= ( “+ + 五d h ) x l o 啊。= 5 4 8 1 x 1 0 - 8 ( s c m ) 则水的电阻率为 d = ( 5 0 1 + 1 + 7 6 3 4 、| c + 5 48 1 x 1 0 - 9 2 3 3 54 5l + j c = ! 二! 兰：! ! 兰! q ： 2 1 6 p ( g m l ) 用上式可以求出不同电阻率的水中电解质浓度，表2 2 1 及图2 2 5 给别给出了水的电阻率与电解质浓度的关系。 鼍 ” 嚣 m - i 4h t 0- e 臻q 粗啦j i l l , i h u日m 图2 1 水的电阻率和杂质浓度的关系 皋构t 1 1 1 1 荨t 曩蠢一i i i t l 羹 。- _ _ 。_ p 。“。+ 。“_ _ _ “_ m _ _ _ _ _ _ _ 一 蛳：# r ； t-，i 、 t a 一 一 、 ? i ， ； f。t _-_-_-_。h“h_*。*_-h_-_。_。-一 表2 1 的电阻率与电解质浓度的关系 6 太原理工大学硕士学位论文 但是，进一步的试验表明，水的电导率( 或电阻率p ) 随着温度的降 低会逐渐降低“”1 。当水温处于o 。c 以下时，水的电阻率将大大增加，原先 呈现导电特性的水溶液电阻值将会在几m q 到几百m q 变化，我们称水在冰 冻条件下具有弱导电性，我们在试验室对这一物理现象及水的温度与其电 阻率的测定进行了大量的实验。图1 是我们实验中针对具有某一纯度电解 质浓度的水电阻率与温度的关系测定获得的曲线图。 吕 o a 寰 一 a 图2 2 电阻率与温度的关系曲线 纵坐标为电阻率p 。( x c 数坐标) ，横坐标为温度t 。 2 2 冰的导电性的基础理论探索 2 2 i 冰晶体结构简介 冰是种晶体，冰晶体结构中，每一个水分子旁有4 个水分子以氢键 连接，有很多一格一格的空间，有点象蜂巢结构，因此密度相对变小。当 冰融化时一些氢键被打断，部分类似蜂巢结构瓦解，所以水分子反而可以 聚得更密，密度相对变大。因此冰融化成水体积反而缩小。在4 。c 时密度 最大，4 x 2 以上由于分子热运动又使密度缩小。 7 太原理【大学硕士学位论文 谆晶体绍棚 圈2 3冰晶体结构网 上图为冰晶体结构图，图中大圆圈代表氧原子，小黑圆点代表氢原 予。虚线代表构成冰的氢键。 2 2 2 冰的导电性理论探索 一般来说，由于自然界的非纯净水中含有多种杂质粒子( 包括游动 的水分子、h + 、c 0 3 2 、c i 一、以及钠、镁、硫、钙、钾等化学元素的离 予) 。在结冰过程中有些杂质会以化合物的方式析出，如海水结冰过程中 的晶体盐的析出。但仍会有不少的杂质粒子以冻结核的方式或游离的方式 存在于冰晶体中。这些杂质的存在使得冰能够导电。而目前国内外公认的 冰的导电导电原因有两种解释：一种是缺陷模式论( h o b bs ，1 9 7 4 ：h a m me r 1 9 8 3 ；t t a m me re taf ，1 9 8 5 ) ，认为冰的直流导电性质是由冰中b j e r r u m 缺陷和离子缺陷来决定的( 即冰晶体中正负离子的非平衡性) 。另一种是 晶粒间界酸性水脉导电论( w o1 f fa n dp a r e n ，1 9 8 4 ：mul v a n e ye ta 上， 1 9 8 8 ) ，认为在冰晶问界上含有的高浓度酸性水脉决定了冰的直流导电性 质。1 。且其导电性与冰晶体中h + 浓度有关。关于这一问题，我们目前还没 有设备进行更深入的研究。只是在这一理论的基础上进行了验证性实验。 且试验证明影响冰晶体直流导电性的因素很多，如h + 浓度、冰层结构、冰 温、冰龄、冰距等等。 a 原理工大学硕上学位论文 2 3 冰的直流导电性的试验研究 为了更进一步研究冰生消变化过程中对冰的直流电性的影响的因 素，特做了下面几个试验，一是冰的直流导电性的验证试验。二是同一条 件下冰温对冰的直流导电性的影响试验。三是同一条件下冰距、直流电压 与其直流导电性的试验。 2 3 1 野外冰的低压直流电传导性验证试验。 1 ) 试验装置及测试系统原理 2 0 0 4 年2 月1 6 日至2 0 日在山西省汾河二库进行了野外现场试验。图 2 3 1 所示，图中用一塑料袋裹住上部的即为试验用传感器。 圈2 3 】扮河二库试验现场图 根据汾河二库结冰现场冰厚4 0 一5 0 c m ，设计了一根棒形长1 5 5 米的 接触式测试传感器，其上设置有3 2 个触点，棒边设置一条形金属片( 图 中阴影部分) 如图2 3 2 2 。3 。2 接触式棒形简易传感嚣 其原理是：将上图试验传感器的每个触点用导线引到一一3 2 路选一的开 9 太原理工大学硕士学位论文 关上，开关总出线接一个分压电阻，电阻另一一端接地。将测量传感器装置 竖着放入垂直的冰洞中进行冻结后，给传感器金属片上加5 伏直流电源， 这样电源就通过冰介质在通过多路开关后与接地的分压电阻构成回路。其 简单测量电路原理示意图如图2 ，3 3 所示。如果将金属片与每一个触点问 的介质冰看作等效电阻，利用电子技术中的串联电路分压原理可测量出每 个触点的电压值， v ，= v c er i ( r r i )( 1 一1 ) 球躺簸m 阻k l 羹l ；i 赢， 毒 圜2 3 - 3 野外球胂低压直褫电传寻性与诛层结构伺单电路示意圈 采用单片机技术对每一个触点的电压进行自动测量并存储，通过专用 软件推出被测冰层的直流等效电阻( 或电导) 值。然后将各点的等效电阻 值与该点在冰面下的距离一一对应，即可分析冰晶体的直流导电性，并与 冰层结构的关系 2 ) 试验测试抽样数据及分析 测试传感器各触点只有完全与冰或水紧密接触j 。能准确进行测量。1 6 日晚7 时在冰面上垂直钻一直径5 0 e m 的冰洞，然后将测试传感器防入冰 洞进行冻结。到晚上9 时，测试传感器周围己冻结了一层约0 , 5e m 厚的冰。 下图3 是2 月1 6 日晚将测试传感器放入冰洞，经一夜冻冰后2 月1 7 日早 8 时、1 8 日早8 时测量的各触点电压的数据的一组抽样。1 7 日早晨库区平 整冰表面温度为9 2 6 c 。 1 8 日早晨8 时库区冰表面温度为7 3 。c 。 l o 太棘理= i = 大学碗士学位论文 o24681 01 2h 距沫面距离( c m ) 图23 3 冰面| ： 下吾点电压的数据幽 从上图可以看冰砸下o c m 的触点两天的测量抽样电压数据均在2 v 左 右。1 7 日所测数据与1 8 日数据比较，在冰面下4 c r 一8 c m 这些触点的电压 1 8 日比1 7 日高，原因是由于这几个触点在1 6 日夜至1 7 日早这段时间里 接触到的是埋进冰窟窿的含水冰末( 打眼时所钻出的) 。1 7 日白天中午时 气温回升，冰面下4 8 c m 的冰末完全融化为水。冰面下8 c m 以下各点的 电压均在4v 以上。可以看出，冰对直流电的传导性确实存在，且冰面下 不同位置检测点由于其所在冰层的冰状态的不同，其直流等效电阻值不 同，在冰面以下不同的冰层中直流导电性呈上升的阶梯状，如图3 中1 7 日所测数据中，冰面下o - 3 c m 为完全冻结冰。3 - 8 c m 处的冰电阻比o 一3c m 处的电阻小，是非完全冻结冰。l o o m 以下的电阻更小，已经为水。这一 点在测量当时得到验证：用一直径约1 5 c m 的手摇钻在距传感器约5 c m 处 垂直钻下，用手工测量和肉眼观测，发现结果与判断基本吻合。各触点电 压呈非线性变化，这与触点在冰中接触的紧密程度、冰温、冰晶体的各向 异性等性质有关。测试传感器各触点只有完全被封冻在冰里( 即触点与冰 体的紧密接触) 才能准确进行测量。 5 4 3 2 1 0 v 蛳 走原理工大学硕二l 学位论文 2 3 2 同一条件下冰温对冰的直流导电性的影响试验 按照冰的形态变化，可分为结冰期、封冻期和解冻期三个阶段。“。在 这三个阶段中，冰温状况反映冰的生长情况，整个冰层的冰温分为两部分， 上半部主要受气温控制，表现出一定范围的波动：下半部受水温控制，冰 温波动小“3 。对某一化学成分相对稳定的水生成的冰而言，冰温对冰的直 流电传导性质有很大影响。随着温度的降低，水的电导率将下降，导电性 能也将下降，在结冰状态下会近似于绝缘又不是完全绝缘。冰温对冰的直 流电传导性的影响试验是在实验室冰箱进行冻冰及冰的消融变化过程中 进行的。 1 ) 试验装置及测试系统原理 用一个直径约1 6 c m 高约1 8 c m 的圆形塑料桶盛装汾河的取样水约2 3 体积。在一绝缘塑料细棒上均匀拧上若干个金属触点，各触点间距3 m m 。 将一热电偶温度探头紧固定在待测触点旁。如下图4 所示。将该简易测试 触点投入塑料桶中，进入水面下约4 c m ，且使其保持水平，以导线将钡4 试 触点、电源触点、热电偶探头等引出。将整个塑料桶放人冰箱冷冻室进行 冰冻。在冰冻过程中利用实验1 所述检测电路不断检测被测触点的电压及 该点处的温度。 田234 试验2 所设置的简易触点不恿捌 2 ) 试验测试抽样数据及分析 塑料桶中的河水在冰箱中一般连续冷冻至少需1 0 多个小时才能完全 结为冰。在此过程中，触点处的温度在不断下降，触点所测电压不断降低。 根据试验1 所述原理及式( 1 - 1 ) 可推算出冰的等效电阻 r o = f c 詹，一嗽j ，v o ( 1 2 ) 将在冰冻过程中所测触点处的电压数据按式( 1 - 2 ) 计算得到被测点处 太原理工大学硕士学位论文 的等效电阻，同时对每一的温度数据进行记录，得到冰的等效电阻与温度 的关系数据。下面是对同一测试点多次试验的几个抽样数据表。4 月1 8 日这几个试验均是用同一塑料桶的水，在冰箱冷冻室的同个位鼍，同一 个位置的测点。 湘 电啪 阻+ ” 一 m 蛳 3 辨 “ 2 l t 圜23 5 淋琛过程畔i 栗删足删试点处等狻电阻与温厦的关系曲线圈 从上面图表可以看出，河水在结冰过程中其等效电阻随温度的降低而 增大，且其阻值均在兆欧数量级；每次过程都有电阻随温度的变化而急剧 增大的温度分界点( 大都在低于一2 0 c ) ；温度在o 一1 5 内变化时其 等效电阻增加缓慢；在一3 5 c 范围以内，短距离被测冰距( 2 0 c m ) 内冰晶 体不表现为绝缘体；不能从上图中看出冰晶体固定测试点间等效电阻与冰 温闯的严格的一一对应的关系。这与外部环境、冻冰时永的初始状态( 主 太原理工大学硕士学位论文 要指初始水温) 等因素有关。 采用同样的测试方法和原理对冰温回升过程中其等效电阻进行测量。 图2 3 6 是其中一组冰温回升过程与冰冻结过程中固定测试点间等效电阻 与冰温的关系图。从图中可以看出冰温回升时固定测试点间的等效电阻与 冰冻结过程中的等效电阻在一定温度范围内曲线并不完全重合，但变化趋 势基本保持一致。 当冰温回升到o c 时，在较长的一段时间内一直保持在o 。c 不变。此 期间冰开始慢慢融化，o c 的冰在融化为o c 的水的过程是一个缓慢吸收热 量的过程，在此过程中测点处的电压虽然时高时低，但其逐渐增大的趋势 没有改变，即等效电阻继续减小的趋势不变。 温度( ) 05一1 0 1 5 2 02 53 0 电 阻 m 图2 36 冰冻过程与冰温回升过程中固定i i 试, 6 , n 等效电阻的比较 砟淋过程 冰诅回升过程 此试验中对数据影响最为严重的是冰表面最先融化后的少量水会沿 着导线进入测量触点，所以试验中虽然想尽办法让表面水尽可能的不要沿 导线流入，但此现象造成的误差也是难免的。下图2 3 7 是两组o c 的冰 化为o 。c 的水过程中测量触点的等效电阻随时间的变化数据。由这两组数 据可以看出，虽然每次融化过程中变化的曲线不同，但河冰在o 。c 时的固 1 4 太原理工人学硕士学位论文 定测点问的等效电阻总在8 0 0 - - - 1 0 0 0 k 似内。图2 3 8 是o 。c 的冰化为0 的水过程中测量触点的电压与等效电阻的变化关系图。从图中可以看 出，不论冰融化的速度快慢，其等效电阻的变化是稳定的。也可以这样说， 某种成分稳定的取样水在结冰与融冰过程中任意一点处的等效电阻是基 本的。图2 3 9 更能够充分说明这一点。 母 百 广、 霄 b 母1 0 0 0 品 善 8 0 0 v 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 圈2 37 0 的冰化为o 的水过程中测量触点的等效电阻随时阃的变化图 腰2 3 ，8 o 的球化为0 _ ；。的承过程中测量触点的等效电阻与所酬电压的戈系曲线圈 呻帅0 太原理工大学硕 一学位论史 2 r 一一 + 一_ ! ，。一 二： ， 童一r 二7 ，j 23 9 琳温度回升过程中温度与电阻的关系与结冰过程基本相捌 2 3 3 被测冰距、直流电压的变化对冰直流传导性质的影响试验 在物理学中对导体的电阻计算公式为只= p s ，其中p 为电导率， s 为导体截面面积，j 为导体长度。对河冰海冰等非纯净冰来说，其传导 能力与长度有关。随的增大其等效电阻增大。冰是一种氢键晶体，具 有晶体各向异性的性质。且由于结冰环境条件的起伏变化，冰层里不同深 度的冰晶结构有明显区剐”。故被测点与电源点的距离被测冰距与冰 的等效电阻之间有其特殊性。 在一长、宽、高分别为3 5 c m 、1 9 c m 、2 2 c m 的立方体硬质塑料容器中 盛1 2 河水。在一长为3 5 c m 的细塑料细棒上设置a 、b 、c 、d 、e 、f 六个 金属触点( 如图2 3 9 所示) ，将各触点用导线连接后引出。将塑料细棒 水平放置在容器内的水面下固定。将容器放入冰箱冷冻室对其内河水进行 冻冰。仍然采用1 1 所述的图2 的测试原理进行试验，改变被钡n 冰距，在 同一冰温及环境条件下，测量其不同冰距时个各触点的电压，算出其等效 电阻。 下表1 是给a 点加电源正极时其余各被测点的电压。测量时冰温保 持在一2 2 5 基本不变。分压电阻r 。取4 0 m 0 。图2 3 1 0 所示为根据表1 的各点电压由式( 卜2 ) 计算得到的等效电阻。可以看出，随着b 、c 、d 、 1 6 太原理工太学硕+ 一学位论文 e 、f 点距a 点距离的增大各等效电阻在同一电源电压时也呈增大趋势。在 距电 图23 9 试验3 用耐易触点示意| 主l 源点a 点1 5 c m 冰距以内，各b 、c 、d 点的等效电阻在同一电压时较为接 近。冰距1 5 c m 、2 0 c m 、2 i c m 以外处的等效电阻随冰距的增加而增加较为 明显。这充分说明各等效电阻的增大并不与冰距的增大成线性关系。此外， 不同冰距的冰的等效电阻不是直线而是曲线，说明不同冰距的冰的等效电 阻在不同电压下是按一定趋势变化的，且随电源电压的变化等效电阻在一 定电压范围( 此数据中的5 8 伏) 内变化较大。一定电压以上( 此数据 中8 伏以上) 各冰距的等效电阻趋于稳定。 a 点电源 b ( 5 c 曲c ( 1 0 c 曲 i ) ( 1 5 c 曲 e ( 2 0 c m )f ( 2 1 c m 电压( v ) ( v )( v ) ( v ) ( v ) 2 年) 。 1 0 工作环境：温度4 0 - - - + 5 0 。 太原理工大学硕士学位论文 冰厚测报仪的硬件组成主要有以下几大部分：微处理器8 9 c 5 2 ，数据 存储器扩展电路，复位电路，键盘及显示接口电路，串行通信电路，日历 时钟电路，硬件结构框图如下图所示。 由 行 通 信 电 路 4 1 1 系统硬件的结构框图 太原理工大学硕士学位论文 4 12 测报仪硬件原理图 太原理t 大学硕士学位论文 二、看门狗复位电路 在恶劣的工业现场中长期运行的微机系统肩负着重要的使命，不允许 有丝毫的差错，这就要求系统本身有自诊断、自免疫及自修复的能力。所 谓”自诊断”是指在线系统的各个部件品质如发现异常则报警或提示，以便 维修。“自免疫”是指能够随时抵抗工业现场环境中的电磁干扰、电网尖 峰或浪涌干扰、尘埃、有害气体及振动等等，工控微机系统也会因不可预 测的因素造成故障。例如死机现象等这类故障也称为飞程序。这种自免疫 能力是抵抗工业现场中各种干扰的最积极最有效的方法。单片机由于受到 干扰而失控，弓l 起程序乱飞，有时可能使程序陷入“死循环”。指令冗余、 软件陷阱等软件抗干扰技术都不能使失控的程序摆脱“死循环”。通常单 片机的应用程序采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使程序脱离“死 循环”。 “看门狗”技术就是不断监视程序循序运行时间，若时间超过已知的 循环设定时间，则认为程序已陷入“死循环”，然后强迫程序返回到0 0 0 0 h 入口，在0 0 0 0 h 处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。 在本系统设计中我们选用美国m a x i m 公司推出的微处理监控芯片 m a x i m 8 2 4 ，它具有以下功能： ( 1 )在微处理器上电、掉电及低压供电时，产生一个复位输出信号。 ( 2 ) 具有看门狗电路，该电路的外触发脉冲时间间隔超过l _ 6 s 时，将 产生一个复位输出。 在本电路设计中我们将p 1 3 口接到m a x i m 8 2 4 芯片的看门狗输入端 w d i 。单片机正常工作时，p 1 3 口定期( 小于1 6 s ) 改变w d i 输入端的电 平( 在程序中加两条语句：c p lp 1 3 ) ，使看门狗电路不发出复位信号。当 由于某种干扰而出现“死机”时，单片机将不定期改变w d i 电平，看门 狗电路便会在1 6 s 后产生一个复位信号，使单片机复位。待经过2 0 0 m s 3 2 太原理工大学硕士学位论文 复位脉宽后，单片机复位结束，程序从0 0 0 0 h 开始重新执行，保证了系统 的正常运转。 v c c u b 2 m a x 8 2 4 = 图4 i3系统的复位电路图 三、外部程序存储器及数据存储器扩展 数据处理仪内部采用微处理器8 9 c 5 2 ，8 9 c 5 2 内部有2 5 6 个字节的 r a m ，有4 k 字节的r o m 。对于水文上测量规范要求的数据大容量存储并 不满足。因此，设计中需外扩程序存储器及数据存储器。 数据存储器选用a t 2 4 c 5 1 2 其容量为6 4 k 。特点是：存储速度 1 0 年；低功耗性，工作 电流 一3 0 v 时，内部电池不耗电。 内置充电电路( s d 2 0 0 1 系列) ，总电量超过1 6 a h ，保证时钟使用寿 命超过l o 年或更长时间。 内置4 k b i t 2 5 6 k b i t 的非易失性s r a m ( b c d e 型) ，其擦写次数1 0 0 亿次，且没有内部写延时。 内置晶振，出厂前已对时钟进行校准，保证精度4 p p m ，即时钟年误 差小于2 分钟( 在2 5 1 下) 。 小体积封装形式s d 2 0 0 2 系列可供选择：八脚单列封装( 内部不带电 池) 。 型号列表 表4 1 1s d 2 0 0 0 r a m 系列选型表 标准型充电型无电池型内置串行 s d 2 0 0 0 系列 s d 2 0 0 1 系列 s d 2 0 0 2 系列n v s r a m 容 量 s d 2 0 0 0 as d 2 0 0 1 as d 2 0 0 2 ao s d 2 0 0 0 bs d 2 0 0 1 bs d 2 0 0 2 b4 k b i t s d 2 0 0 0 cs d 2 0 0 1 cs d 2 0 0 2 c1 6 k b i t s d 2 0 0 0 ds d 2 0 0 1 ds d 2 0 0 2 d6 4 k b i t s d 2 0 0 0 e s d 2 0 0 1 e s d 2 0 0 2 e 2 5 6 k b i t 太原理工大学顶 一学位论文 内置一次性电 内置充电电路无内置电池。 池，在外部掉和充电电池， 八脚草列封装 电情况下内部充满一次可保形式 时钟走时时间 持内部时钟走体积小：2 3 7 为5 1 0 年。 对时间超过一 1 2 m m 3 。 2 4 脚d i p 封装年以上，可满 形式充电次数达 2 0 0 次。 2 4 脚d i p 封装 形式 注：各型号均有工业级，其尾缀加“i ”以示区分，如“s d 2 0 0 0 a p i ”为s d 2 0 0 0 a 的工业级，“p ”标志为直插封装形式。 一管脚设置 虻u 啪 v b 盯! 咂 t e s t贮 虻 西 虻取 氍珏町 茁霹 瓦 虻 虻虻 锄 s 从 锄 s c l s d 2 0 0 0 a 誓、v d d v l k ? 碍侄 黟 嚣 氍虻 l i c 面厩 虻嚣 甄虻 嚣虻 锄 s d a 锄 v o i e g 蛐s o l 卯2 i a e v 卫d v b 埘霞 t 肼舵 礴阳”s c u 虻 s n 蛇 舵强豇 舵 虻 比 虻 嚣虻 s d a 锄鞴 锄s n s d 约0 0 b ，c ，n ，e k 啪 t 丽l s t踅 回0 ”s c l 罩 虻 s d 址 嚣! 匝 k嚣 虻 嚣 虻 锄 s d a 啪 锄$ c l 12345678 s d 2 呻i b ，c ，d ，暑s g z 0 0 2 b i c d i e 图4 1 5s d 2 0 0 0 系列管脚图 l 2 3 4 5 6 t 8 9 0 l 2 1 2 3 4 5 6 t 8 9 0 1 2 l 2 3 4 5 b t 8 9 0 l 2 太原理工大学硕士学位论文 表4 1 2s d 2 0 0 0 系列管脚功能表 标号功能特征 v b a t 外加备用电池引脚针对s d 2 0 0 0 系列，由 于在模块内部有电池， 故在其电池能量未耗尽 之前不接 t e s t测试内部电池电压检测脚 ( 通常不接) o n o f f 打开关闭s r a m ，此管脚在接高此功能脚主要用来降低 电平为关闭s r a m ，接低龟平时芯片整体功耗 打开s r a m 。 s c l 串行日寸钟输 嘟由于在s c l 目v 1 ：降c m o s 输入( 与v m 问无保 沿处哥音号，要待另i 船j 蘸s c l 信号的上护二睽管 并行憾研降时间，应严晦睦守说明书。 s d a 串行数据输入聘愈出脚，此管脚通常n 沟道开路输出( 与v 阃 用一电阻上拉至v u d ，并与其它漏极无保护璐) o s 输入 开路或集电器开路输出的器件通过 线与方式连接 s d a es r a m 串行数据输入输出脚，此n 惭路输出 管脚通常用一电阻上拉至v o d ，通过 线与方式与其它在1 2 c 总线上的器件 连接。 s c l e s r a m 串行数据时钟脚。数据在c m o s 输入 此管脚的上升沿下降沿按时序输 入输出。 s d a ，s d a e实时时钟与串行s r a m 的串行数此管脚通过c p u 所发送 据输入输出脚，此管脚i 恿常用一电 的指令来区别其功能 阻上拉至v d d ，通过线与方式与其( 仅s d 2 0 0 2 系列具 它在1 2 c 总线上的器件连接。有) 。 s c l s c l e实时时钟与串行s r a m 的串行数 此管脚通过c p u 所发送 据时钟脚，数据在此管脚的上升的指令来区剐其功能 沿下降沿按时序输入输出。( 仅s d 2 0 0 2 系列具 有) 。 i n t l 报警中断1 输出瓤根据中断寄存器与脚西彭碓獭出( 与v 端 状态寄存器来设置奄列鲐撼当定之扣既保护二极管) 时时问到齿蝴出低电吊韵对钟信号。 它郦蘑过重马比舒鲷铽器来禁止 3 7 太原理工大学硕士学位论文 i n t 2报鳓2 输出脚，根据中断哿艄 n 铷芭h 璐输出( 与v 端 状态寄存器来设置其工作的模式，当定之间无保护二极管 时时间到齿j 椭出 氐电翟朝寸宅中f 言号。 它面茚亟錾乳疑洽硝器来禁le v d d 正电源 v o u t 3 3 v 稳压输出脚，当v d d 3 4 v可供电流、 3 0 m a ，电压 时有效精度3 ，3 v 2 g n d 负电源( q q d ) 闩门恳 。弋_ 巾弋广 ： s t a r tc o n d i u o n s t o pc b n d i t i o n 图4 16 实时时钟部分串行接1 ：3 ( 3 ) 数据传输 当s c l 为低电平，且s d a 线电平变化时，则数据由 c p u 传输给s d 2 0 0 0 ；当s c l 为高电平，且s d a 电平变化 时，s d 2 0 0 0 收到一个开始或停止条件。 k l 飞h n 厂 1 i 一 、 ，、 ( 图4 17 实时时钟数据传输时序 ( 4 ) 确认 数据传输以8 位序列进行。s d 2 0 0 0 在第九个时钟周期时将 s d a 置位为低电平，即送出个确认信号( a c k n o w l e d g eb i t ，以 下简称“a c k ”) ，表明数据已经被其收到。 太原理工大学硕士学位论文 s d a ( c p u ) s d a ( s d 2 0 0 0 ) 门几尸 厂 9 ) ( ： ) ( | x a c k n c v l e d q e o u t p u t l 圈4 、1 _ 8 实时时钟确认信号 4 2 测报仪的软件系统 4 2 1 软件系统概述 整个软件系统主要分为三个部分：主程序、秒中断程序和采集数据程 序模块。 首先先简单的介绍一下8 9 c 5 2 的存储器结构和地址结构。 8 9 c 5 2 单片机系列的存储器采用的是哈佛结构，即将程序存储器和数 据存储器截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的存储方式、寻址 空间和控制系统。 2 7 1 这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便、有利。在8 9 c 5 2 单片机中，不仅在片内驻留了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多 的特殊功能寄存器，而且还具有极强的外部存储器扩展能力，寻址范围分 别可达5 1 2 k b ，寻址和操作简单方便。 总括起来，8 9 c 5 2 系列单片机设有三种基本的寻址空间： 2 5 6 ( 或3 8 4 ) b 片内数据存储器寻址空间，其中包括特殊功能寄存器 寻址空间。 由上可见，8 9 c 5 2 系列单片机具有相当容量的存储器寻址空问，大大 开拓了它的应用范围。 一、程序存储器 太原理t 大学硕士学位论文 8 9 c 5 2 单片机的程序存储器用于存放经调试正确的应用程序和表格之 类的固定常数。由于采用1 6 位的程序计数器p c 和1 6 位的地址总线，因 而其可扩展的地址空间为6 4 k b ，且这6 4 k b 地址是空间连续、统一的。 1 整个程序存储器可以分为片内和片外两部分，c p u 访问片内和片外 存储器，可由引脚所接的电平来确定： e a 引脚接高电平时，程序从片内程序存储器开始执行，即访问片内存 储器；当p c 值超出片内r o m 容量时，会自动转向片外程序存储器空间 执行。 e a 引脚接低电平时，迫使系统全部执行片外程序存储器程序。 对于有片内r o m 的8 9 e 5 2 8 7 c 5 1 单片机，正常运行对，应将引脚接高 电平。对于有片内r o m 的8 9 c 5 2 8 7 c 5 1 单片机，若把e a 引脚接低电平， 可用于调试状态，即将欲调试的程序设置在与片内r o m 空间重叠的片外 存储器内，c p u 执行片外存储器程序进行调试。 对于片内无r o m 的8 9 e 5 2 8 0 c 3 2 单片机，应将e a 引脚固定接低电平， 以迫使系统全部执行片外程序存储器程序。本系统使用8 9 c 5 2 。内部没有 r o m 。 不管从片内或片外程序存储器读写指令，其操作速度是相同的。 ( 1 ) 程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址。 由于系统复位后的p c 地址为0 0 0 0 h ，故系统从0 0 0 0 h 单元开始取值， 执行程序。它是系统的启动地址，一般在该单元设置一条绝对转移指令， 使之转向用户主程序处执行。因此，0 0 0 0 h 0 0 0 2 h 单元被保留用于初始化。 从0 0 0 3 h , - , 0 0 2 b h 单元被保留用于6 个中断源的中断服务程序的入口 地址，故有以下7 个特定的地址被保留： 太原理t 大学硕士学位论文 复位或非屏蔽中断 0 0 0 0 h 外部中断0 0 0 0 3 h 计时器t o 溢出 0 0 0 b h 外部中断1 0 0 1 3 h 计时器t l 溢出 0 0 1 b h 串行口中断 0 0 2 3 h 计时器t 2 t 2 e x 负发送 0 0 2 b h 曩4 21单片机的中斯入口程厣地址 在程序设计时，通常在这些中断入口处设置无条件转移指令，使之转 向对应的中断服务程序处执行。 本程序使用了复位、外部中断0 和串行中断。相应的程序为： 0 r 60 0 h ：复位入口处 a j m pm a i n ；跳到主程序 0 r g0 3 h ；外部中断0 入口地址 l j m pm z o ；跳到秒中断处理程序 0 r g2 3 h ；串行口中断入口地址 l j m pc z d ；跳到串行中断处理程序 二、数据存储器 数据存储器由随机存取存储器r a m 构成，用来存放随机数据。 在8 9 c 5 2 单片机中，数据存储器又分为片内数据存储器和片外数据存 储器两部分。 片内数据存储器( i r a m ) 最高地址只有8 位，因丽最大寻址范围为2 5 6 个字节。 在8 9 c 5 2 单片机中，设置有一个专门的数据存储器的地址指示器数 4 1 太原理工大学硕士学位论文 据指针d p t r ，用于访问片外数据存储器( e r a m ) 。数据指针d p t r 也是】6 位的寄存器，这样，就使8 9 c 5 2 单片机具有2 5 5 k b 的数据存储器扩展自力。 1 片外数据存储器 片外数据存储器是在外部存放数据的区域，这一区域用寄存器间接 寻址的方法访问，所用的寄存器为d p t r 、r i 或r 0 。 当用r 1 、r 0 寻址时，由于r 1 、r 0 为8 位寄存器，因此最大寻址范 围为2 5 6 b ：当用d p t r 寻址时，由于d p t r 为1 6 位寄存器，因此最大寻 址范围为6 4 k b 。 本系统采用了非易失片位数据存储器h k l 2 3 5 来存储历史数据，以备 在适当的时候调用和打印。 4 2 2 网报仪软件设计 测报仪程序分为三个模块：主程序模块、秒中断模块、通信中断程序 模块。每个模块分别完成相对独立的系统功能，其中有的模块还包含一些 子模块，既相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。其总体 性能如下： 1 ) 可以对数字信号进行采集、存储、信号通信、实时时间和日期、模 拟l e d 显示。 2 1 每分钟处理一次，每1 0 分钟( 或根据需要) 存储、打印一次实时 数据。采用非易失性r a m 集成电路h k l 2 3 5 ，存贮容量为2 5 5 k ，码存贮 信息在掉电情况下可保存1 0 年以上。 3 ) 通过面板l e d 可对采样时间、日期、冰厚等进行显示。 4 ) 位l e d 进行物理量显示，分辨精度可达厘米级，最大量程为 9 9 9 9 9 m 。单路处理量程可由软件设定，分辨精度为l c m 。 5 ) 内部配置有标准r s 2 3 2 通信接口，可通过光纤与上位机直接进行数 据通信( 波特率为9 6 0 0 b p s ) ，也可以通过外置m o d e m 进行远程数据通 4 2 太原理工大学硕士学位论文 信。 6 1 键盘控制：通过面板设置按键可以进行基准设置，可以设置时间和 日期。 主程序 主程序流程图见附录1 。主程序是整个数据采集仪处理数据程序的核 心。 主程序的功能如下： 1 根据秒中断的设置标志，完成时间的自动刷毅。 2 响应键盘操作，配合l e d 显示构成人机界面，完成日期、时 间、基准值、冰厚值等的显示和设置。 3 。 系统初始化。 4 根据秒信息的设置标志，完成对数据的采集及处理。 在主程序中，首先进行系统初始化：将各寄存器清零、设置工作状态、 将各指示灯置灭、设栈顶，然后设置中断、定时器、波特率等，然后进行 初始化，在这之后，系统进行冰厚显示。此时单片机主程序就处于循环工 作状态。在每一轮循环中，先判断是否有按键按下。如有按键按下则转入 不同的键功能处理程序，包括日期、时间设置和打印数据等；如无按键按 下则进行正常的冰厚、时间、日期的刷新和显示等。 上电或中断复位后，程序入口地址为0 0 h ，秒中断服务程序入口地址 为0 3 h ，串行口中甑服务程序入口地址为2 3 h 。栈顶地址为6 0 h 。 波特率通过8 0 3 l 中定时计数器1 ( 作波特率发生器) 设定的，其设 置程序如下： m o vt m o d ，* 2 0 h ；t 0 工作在方式0 ，t 1t 作在方式2 m o vt h l ，# 0 f d h d 0 rt l l ，# 0 f d h s e t bt r l ；t 1 开始工作 4 3 太原理工人学硕十学位论文 上属代码定义了定时计数器l 的工作方式为定时、工作方式为2 ，波 特率为9 6 0 0 b p s 。 串行通信方式通过8 0 3 1 串行口控制器s c o n 设置： m 0 vs c o n # 5 0 h 工作方式为串行通信方式1 ，允许接收。 主程序按照数据采集仪的i o 口地址进行片选。 程序状态寄存器p s w 中第6 位f 。用来作为在主程序中作为按键是否按 下标志位。主程序判断有按键授下后，将键值读回，再根据事先约定的键 码分别进行不同的键功能处理。具体的对应关系如下： 在主程序中，为了防止程序跑飞用到了软件抗干扰技术包括指令冗余 和看门狗。指令冗余是指在编程时在关键的部位人为插入一些单字节空