一种应用于纵向钢卷位移监测装置及方法与流程

本发明涉及一种应用于纵向钢卷位移监测装置及方法，属于位移监测技术领域。

背景技术：

钢卷位移实时监测目的是判断钢卷是否发生位移，保证存放、运输过程的安全；钢铁行业一直是我国一个特色产业，在国民经济中占据很大比重，其中大型钢卷是一个重要的产品，产品广泛应用于医药、化工、环保、粮油、饲料、建材等行业，成为一个必不可少的建材。由于钢卷的体积一般很大，而且钢卷一般都不容易被固定，无论是在厂房存放，还是在运输的过程中都十分容易滚动，可能造成财产损失，以及生命危险。

目前对钢卷的位移监测，一般是人工目视判断或者人工测量，人工测量显然是不准确，一是微小的位移肉眼识别不了，必然会埋下安全隐患；二是不能做到远程实时监测，浪费大量的人力物力，智能化程度低，效率低。本设计是利用超低功耗的msp430单片机，通过位移传感器实时采集数据，配合gprs模块，实现对钢卷位移的实时采集，降低成本，提高精度，保证实时性、可靠性。

技术实现要素：

针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种成本较低且便于使用的纵向钢卷位移监测装及方法，其能够实现对钢卷位移的实时采集，可适应市场的极大推广。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是。

一种应用于纵向钢卷位移监测装置及方法，包括主控电路和机械结构，所述主控电路包括电源模块、控制模块、信号采集电路、gprs模块、电量检测模块、单片机唤醒模块；所述机械结构包括插入装置、三向凸轮自锁装置、底座装置和位移测量装置，位移测量装置里面放主控电路和三条水银柱；电源模块给系统供电，信号采集电路将电阻应变片采集到的电压信号传输给单片机，单片机内部的sd16_a模块将此模拟电压信号转换成数字信号，单片机再将转换得到的数据通过gprs模块发送到手机端，电量检测模块可以检测电源模块的电量，当电量不足时，以便及时提醒工作人员更换电池，唤醒模块与信号采集电路并联，单片机处于睡眠状态时，唤醒模块可以唤醒单片机，使其工作。

进一步的，所述的电源模块采用3.7v和12v的电池组，其中3.7v的电池组经过芯片u1转换成3.3v电压给单片机供电，u1采用稳压芯片lm1117，12v的电池组经过芯片u4转换成5v电压给gprs使用，芯片u5采用稳压芯片7805，芯片u1的第三引脚通过按键s1接3.7v电源且通过电容c1、c3接地，芯片u1的第一引脚接地，芯片u1的第二、第四引脚经过转换得到3.3v电源，且通过电容c2、c4接地；芯片u4的第三引脚通过按键s2接12v电源且与电容c18的一端相接，电容c18的另一端接于三极管q1的第二引脚，芯片u4的第二引脚也接于q1的第二引脚，芯片u4的第一引脚经过转换得到5v电源，5v电源通过电容c20接于q1的第二引脚，三极管q1的第一引脚通过电阻r19接芯片u3的第58引脚，三极管q1的第三引脚接地。

进一步的，所述的控制模块包括芯片u3及其外围电路，芯片u3采用msp430fg477单片机，芯片u3第八、第九引脚之间接晶振y1，芯片u3的第六十引脚通过电容c17接地，芯片u3的第一、第五十二、第八十引脚接3.3v电压，同时经电容c19接地，芯片u3的第七十、七十一、七十二、七十三、七十四引脚分别接下载口p1的第一、第二、第三、第四、第五引脚，下载口p1的第六、第七分别接3.3v电源和地，芯片u3的第七、第五十三、第七十八、第七十九引脚接地。

进一步的，所述的信号采集电路包括芯片u2，u2采用285-12基准电压芯片，信号采集电路采用桥式电路，基准电压芯片为信号的采集提供基准电压，信号采集电路共有三组。

进一步的，所述的gprs模块由芯片u7和sd卡组成，芯片u7采用sim800，芯片u7的第一引脚通过电阻r10接地，芯片u7的第二、第十七、第十八、第二十九、第三十九、第四十五、第四十六、第五十四、第五十八、第五十九引脚接地，芯片u7的第九引脚通过电阻r11接于芯片u3的第七十五引脚，芯片u7的第十引脚通过电阻r14接于芯片u3的第七十六引脚，芯片u7的第五十五、第五十六、第五十七引脚接于5v电源，并且通过电容c13和电容c14接地，芯片u7的第五十二引脚通过电阻r17接地，芯片u7的第三十引脚接于sd卡的第一引脚，芯片u7的第三十一引脚通过电阻r20电阻r22接于sd卡的第六、第一引脚，芯片u7的第三十二引脚通过电阻r18接于sd卡的第三引脚，芯片u7的第三十三引脚通过电阻r21接于sd卡的第二引脚，sd卡的第四引脚接地。

进一步的，所述的电量检测模块包括芯片u5、芯片u6，芯片u5的第四引脚通过电阻r25接于3.7v电源，芯片u5的第三引脚通过电阻r24接于3.7v电源，电阻r25的一端通过电容c23接于电阻r30的一端，电阻r30的另一端接地，芯片u5的第二、第六引脚接于电阻r30的一端，芯片u7的第七引脚接地，芯片u5的第五引脚通过电阻r26接于芯片u3的第五十九引脚，电阻r26的一端接于二极管1n4148的阴极，二极管1n4148的阳极接地，芯片u6的接法同芯片u5。

进一步的，所述的单片机唤醒模块包括六个电压比较器u8、u9、u10、u11、u12、u13及其外围电路，u8的第一引脚接芯u3第55引脚，u8的第二引脚接芯片u3的第55引脚,u8的第三引脚分别通过电阻r32、电阻r33接u9的第一、第二引脚，电阻r33通过电容c25、电阻r37并联接地，u9的第三引脚接二极管d3的阴极，d3的阳极通过电阻r41接于3.3v电源，d3的阳极接于电容c28的正极，电容c28的阴极接地，电容c28的正极端接于芯片u3的第十引脚；u10的第一引脚接芯u3第51引脚，u10的第二引脚接芯片u3的第54引脚,u10的第三引脚分别通过电阻r35、电阻r36接u11的第一、第二引脚，电阻r36通过电容c26、电阻r37并联接地，u11的第三引脚接二极管d4的阴极，d4的阳极通过电阻r41接于3.3v电源；u12的第一引脚接芯u3第49引脚，u12的第二引脚接芯片u3的第50引脚,u12的第三引脚分别通过电阻r38、电阻r39接u13的第一、第二引脚，电阻r39通过电容c27、电阻r40并联接地，u13的第三引脚接二极管d5的阴极，d5的阳极通过电阻r41接于3.3v电源。

进一步的，所述的插入装置由上、下两部分组成，该上部分是转动杆101，下部分是传动长轴102，该上、下部分采用间隙配合，方便安装与拆卸。

进一步的，所述的三向凸轮自锁装置2由三向凸轮齿轮轴201、推杆202、斜楔204、弹簧203、轴承205和轴承垫206组成，在一对推力球轴承205中间加装有轴承垫206，使三向凸轮齿轮轴201与水平面垂直放置。

进一步的，所述的底座装置由底座301、底座支架302、连杆套303和支撑座304组成，底座301与底座支架302由双头螺柱连接，底座支架302与推杆202由连杆套303连接，保证三向凸轮201与推杆202作用后，推杆202延底座支架302方向伸出，与钢卷内壁卡紧，支撑座304与底座支架302采用过盈配合，保证整个装置与水平面平行。

本发明的有益效果是。

电路采用桥式应变片电路，抗干扰性能强，电源模块以及唤醒模块的设计很大程度上降低了功耗，由该电路和机械结构可构成钢卷纵向位移检测装置，该装置便于安装，成本低，可以精确测量钢卷的位移。

整体电路设计简单，成本低，数字化、智能化高；采用该控制器芯片和电路配以机械结构可构成一种纵向钢卷位移测量装置，实现数字化、数据传输、智能控制；采用该电路构成的一种纵向钢卷位移测量装置对钢卷行业安全、高效率运行起着重要的作用。

附图说明

图1是本发明电路系统原理结构框图。

图2是本发明电源模块的电路原理图。

图3是本发明控制模块的电路原理图。

图4是本发明信号采集模块的电路原理图。

图5是本发明gprs模块的电路原理图。

图6是本发明电量检测模块的电路原理图。

图7是本发明单片机唤醒模块的电路原理图。

图8是本发明一种应用于纵向钢卷位移监测装置示意图。

图9是本发明一种应用于纵向钢卷位移监测装置的卡紧原理图。

图10是本发明一种应用于纵向钢卷位移监测装置的自锁原理图。

图11是本发明的斜楔和三向凸轮齿轮轴的截面图。

图12是本发明一种应用于纵向钢卷位移监测装置的位移检测装置结构图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明创造，下面结合具体电路图对本发明的实现原理进行详细的阐述说明。

应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，将应变片接入桥式电路，并且给桥式电路提供基准电压，纵向钢卷位移测量装置的位移测量装置与地面接触，当钢卷发生各个方向的位移时，由于底部的摩擦力，带动此纵向钢卷位移监测装置的位移测量装置发生同方向的转动，相应地位移测量装置内的三条水银柱给三个应变片的压力就会不同，三个应变片的阻值也就不同，由于给桥式电路提供的基准电压是相同的，三个应变片的电压就会因此不同，msp430单片机的三个模拟差分输入通道，可以采集到应变片两端的电压，msp430单片机通过其内部sd16_a模数转换模块将三个位移传感器采集到的电压信号转换成数字量，将数字量进行标度变换可以转换成相应的位移量，然后单片机将位移量通过gprs模块发送到手机或者上位机，工作人员就可以据此判断钢卷的移动方向，避免危险事故的发生。

根据该原理，本发明采用高性能、低功耗数字信号控制器采集三个应变片两端的电压，根据算法可以求得钢卷的移动方向。

为了实现上述功能，本发明给出了一种应用于纵向钢卷位移监测装置，包括主控电路和机械结构，所述主控电路包括电源模块、控制模块、信号采集电路、gprs模块、电量检测模块、单片机唤醒模块；所述机械结构包括插入装置、三向凸轮自锁装置、底座装置和位移测量装置。

对于每一模块的具体结构和组成，下面结合附图进行详细说明。

如图2所示，电源模块采用3.7v和12v的电池组，其中3.7v的电池组经过芯片u1转换成3.3v电压给单片机供电，u1采用稳压芯片lm1117，12v的电池组经过芯片u4转换成5v电压给gprs使用，芯片u5采用稳压芯片7805，芯片u1的第三引脚通过按键s1接3.7v电源且通过电容c1、c3接地，芯片u1的第一引脚接地，芯片u1的第二、第四引脚经过转换得到3.3v电源，且通过电容c2、c4接地；芯片u4的第三引脚通过按键s2接12v电源且与电容c18的一端相接，电容c18的另一端接于三极管q1的第二引脚，芯片u4的第二引脚也接于q1的第二引脚，芯片u4的第一引脚经过转换得到5v电源，5v电源通过电容c20接于q1的第二引脚，三极管q1的第一引脚通过电阻r19接芯片u3的第58引脚，三极管q1的第三引脚接地;电源模块采用低功耗设计，具体原理为：3.7v的电源是一直工作的，msp430单片机本身也是功耗很低，因此3.7v电源一直工作耗电很低，当唤醒模块发出一个低电平信号给单片机，此时程序进入外部唤醒中断，单片机被唤醒，由相应的程序语句给msp430单片机的p1.0引脚一个低电平三极管q1导通，此时芯片u4工作，12v电源被接通，以供gprs模块使用，当gprs模块将数据发送完毕时，单片机再将其p1.0引脚设为高电平，此时芯片u4停止工作，12v电源被断开。

如图3所示，控制模块包括芯片u3及其外围电路，芯片u3采用msp430fg477单片机，芯片u3第八、第九引脚之间接晶振y1，芯片u3的第六十引脚通过电容c17接地，芯片u3的第一、第五十二、第八十引脚接3.3v电压，同时经电容c19接地，芯片u3的第七十、七十一、七十二、七十三、七十四引脚分别接下载口p1的第一、第二、第三、第四、第五引脚，下载口p1的第六、第七分别接3.3v电源和地，芯片u3的第七、第五十三、第七十八、第七十九引脚接地。

如图4所示，信号采集电路包括芯片u2及其外围电路，芯片u2采用285-12基准电压芯片，芯片u2的第四引脚接地，芯片u2的第八引脚通过电阻r3接与5v电源，同时通过电容c7接地，信号采集电路采用桥式电路，基准电压芯片为信号的采集提供基准电压，信号采集电路共有三组，一组包含电阻r1、电阻r2、应变片电阻r4、电阻r5、电容c5、电容c6、电容c8，另一组包含电阻r6、电阻r7、应变片电阻r8、电阻r9、电容c9、电容c10、电容c11，最后一组包含电阻r12、电阻r13、应变片电阻r15、电阻r16、电容c12、电容c15、电容c16，信号采集电路的实现原理为：三个应变片分别置于三个位移测量柱内，位移测量柱内有水银，应变片会时刻受到水银柱的压力，基准电压芯片u2可以产生1.2v的基准电压，此基准电压不会超过msp430内部的sd16_a模数转换模块的基准电压1.2v，保证模数转换的准确性，不同的压力会使应变片产生不同的电压值，信号采集模块将测得的三个电压值送给单片机的三个差分电压输入端，以便进行模数转换。

如图5所示，gprs模块由芯片u7和sd卡组成，芯片u7采用sim800，芯片u7的第一引脚通过电阻r10接地，芯片u7的第二、第十七、第十八、第二十九、第三十九、第四十五、第四十六、第五十四、第五十八、第五十九引脚接地，芯片u7的第九引脚通过电阻r11接于芯片u3的第七十五引脚，芯片u7的第十引脚通过电阻r14接于芯片u3的第七十六引脚，芯片u7的第五十五、第五十六、第五十七引脚接于5v电源，并且通过电容c13和电容c14接地，芯片u7的第五十二引脚通过电阻r17接地，芯片u7的第三十引脚接于sd卡的第一引脚，芯片u7的第三十一引脚通过电阻r20电阻r22接于sd卡的第六、第一引脚，芯片u7的第三十二引脚通过电阻r18接于sd卡的第三引脚，芯片u7的第三十三引脚通过电阻r21接于sd卡的第二引脚，sd卡的第四引脚接地。

如图6所示，电量检测模块包括芯片u5、芯片u6，芯片u5的第四引脚通过电阻r25接于3.7v电源，芯片u5的第三引脚通过电阻r24接于3.7v电源，电阻r25的一端通过电容c23接于电阻r30的一端，电阻r30的另一端接地，芯片u5的第二、第六引脚接于电阻r30的一端，芯片u7的第七引脚接地，芯片u5的第五引脚通过电阻r26接于芯片u3的第五十九引脚，电阻r26的一端接于二极管1n4148的阴极，二极管1n4148的阳极接地，芯片u6的接法同芯片u5，电量检测模块可以检测3.7v电源和12v电源的电量，并将电量信息分别通过p1.1、p1.2引脚传输给msp430单片机，当单片机被唤醒时再将电源电量数据通过gprs模块发送到手机或者上位机，以便工作人员及时更换电池。

如图7所示，单片机唤醒模块包括六个电压比较器u8、u9、u10、u11、u12、u13及其外围电路，u8的第一引脚接芯u3第55引脚，u8的第二引脚接芯片u3的第55引脚,u8的第三引脚分别通过电阻r32、电阻r33接u9的第一、第二引脚，电阻r33通过电容c25、电阻r37并联接地，u9的第三引脚接二极管d3的阴极，d3的阳极通过电阻r41接于3.3v电源，d3的阳极接于电容c28的正极，电容c28的阴极接地，电容c28的正极端接于芯片u3的第十引脚；u10的第一引脚接芯u3第51引脚，u10的第二引脚接芯片u3的第54引脚,u10的第三引脚分别通过电阻r35、电阻r36接u11的第一、第二引脚，电阻r36通过电容c26、电阻r37并联接地，u11的第三引脚接二极管d4的阴极，d4的阳极通过电阻r41接于3.3v电源；u12的第一引脚接芯u3第49引脚，u12的第二引脚接芯片u3的第50引脚,u12的第三引脚分别通过电阻r38、电阻r39接u13的第一、第二引脚，电阻r39通过电容c27、电阻r40并联接地，u13的第三引脚接二极管d5的阴极，d5的阳极通过电阻r41接于3.3v电源，单片机唤醒模块的工作原为:u8、u10、u12三个电压比较器将双端电压信号转变为单端电压信号，分别作为u9、u11、u13三个电压比较器的输入端，u9、u11、u13三个电压比较器的正、负输入端连接在一起，并且u9、u11、u13三个电压比较器的负输入端分别有电容c25、c26、c27，此电路可实现当正、负输入端的电压不变或者增大时u9、u11、u13三个电压比较器的输出端输出高电平，当正、负输入端的电压变小时u9、u11、u13三个电压比较器的输出端输出低电平，二极管d3、d4、d5电容r41和3.3v电源构成与门电路，当任何一路输出低电平时与门输出端输出低电平，与门输出端连接于msp430单片机的p1.3引脚，当与门输出端输出低电平时会进入单片机的外部中断，将单片机唤醒，单片机开始工作。

如图8所示，一种应用于纵向钢卷位移监测装置示意图，包括插入装置1、三向凸轮自锁装置2、底座装置3和位移检测装置4(如图12所示)，所述插入装置1底部插入三向凸轮自锁装置2，三向凸轮自锁装置2底部插入底座装置3，位移检测装置4置于底座装置内部，底座装置3与安装地面平行；所述插入装置1由上、下两部分组成，该上部分是转动杆101，下部分是传动长轴102，该上、下部分采用间隙配合，方便安装与拆卸；所述三向凸轮自锁装置2由三向凸轮齿轮轴201、推杆202、斜楔204、弹簧203、轴承205和轴承垫206组成，在一对推力球轴承205中间加装有轴承垫206，使三向凸轮齿轮轴201与水平面垂直放置；所述底座装置3由底座301、底座支架302、连杆套303和支撑座304组成，底座301与底座支架302由双头螺柱连接，底座支架302与推杆202由连杆套303连接，保证三向凸轮201与推杆202作用后，推杆202延底座支架302方向伸出，与钢卷内壁卡紧，支撑座304与底座支架302采用过盈配合，保证整个装置与水平面平行；所述位移检测装置4包括三条水银柱，101、102、103，三条水银柱的下面各放置一个应变片，104是将位移监测装置的上、下半球卡紧的圆形凹槽，圆形凹槽一共有四个，201是一个方形凹槽，用来放置控制电路部分，202是螺丝孔，一共有四个，起固定控制电路的作用，20是将位移监测装置的上、下半球卡紧的圆柱，圆柱一共有四个。

如图9所示，是一种应用于纵向钢卷位移监测装置的卡紧原理图，本发明根据内径为762mm的钢卷进行设计，初始位置时推杆最外端与钢卷内径距离为2mm，只需旋转转动杆一个较小的角度，传动长轴将扭矩传到三向凸轮自锁装置，三向凸轮齿轮轴作用推杆，导致推杆外推，卡紧钢卷内壁。

如图10所示，是一种应用于纵向钢卷位移监测装置的自锁原理图，在钢卷运输过程中车体会有震动和颠簸，为防止本装置脱落，位移检测失真，本装置带有自锁功能，如图10所示，传动长轴前端插入三向凸轮自锁装置，传动长轴底部外侧挤压斜楔，斜楔向外侧移动，斜楔下侧脱离三向凸轮齿轮轴（截面如图11所示），三向凸轮齿轮轴可进行旋转；当旋转到位后，推杆外侧卡紧钢卷内壁，拔出传动长轴，斜楔由于弹簧作用，向内侧移动，斜楔下侧与三向凸轮齿轮轴干涉，互相作用，三向凸轮齿轮轴卡死，不能旋转，形成自锁。

系统整体的工作原理为。

msp430单片机实现低功耗的原理为:单片机中，功耗最低的单片机要msp430单片机，msp430中，用到5种低功耗，lpm0，lpm1，lpm2，lpm3，lpm4，cpu的活动状态称为am（actvemode）模式，am模式耗电最大，lpm4耗电最省，系统在lpm0-3方式下可以被唤醒，lpm4则不能，lpm3是满足要求的功耗最低的一种方式，在lmp3模式下，cpu停止工作，mclk、smclk时钟停止工作，dco时钟也停止工作，仅aclk时钟还处于工作状态，所以本发明采样lmp3低功耗模式，本发明软件实现低功耗执行的过程：系统复位后，程序从main函数入口开始执行程序，msp430进入am状态，在am状态，程序可以选择进入任何一种低功耗模式，当执行到本发明低功耗程序语句，_bis_sr（lpm3_bits+gie）此时相当于下面的程序处于停止状态不再执行，当有一个外部中断来到，则会进入中断处理程序，进入中断处理程序后，首先执行lpm3_exit，自动退出低功耗模式3，返回am模式，然后由msp430内部的sd16_a模块对应变片采集到的电压信号进行a/d转换，当中断服务程序执行完成后，由am模式进入低功耗模式3，如此类推。

msp430单片机内部sd16_a的转换原理为：sd16_a是为低功耗应用而设计的，当它不进行转换时，就会自动关闭，而当转换开始时，又自动启动；sd16_a是一个16位的σ-δ模数转换器，它具有高阻抗的输入缓冲和软件可选的内部参考电压，该adc是基于二阶过采样的σ-δ调节器和数字抽取滤波器，这种抽取滤波器的过采样频率是可选择的，如果要进行额外的滤波可以用软件实现，sd16_a模块有一个内置的1.2v的参考电压，可以通过sd16refon位来启动它的使用，当使用内部参考电压，并用一个100nf的电容外接在和之间时，可以抑制噪声；σ-δadv的主要工作过程包括过采样、噪声成形、数字滤波和抽取，σ-δadc不是对信号的幅度进行直接编码，而是根据前一次采样值与后一次采样值之差（增量）进行量化编码，通常采用一位量化器，利用过采样和∑-δ调制技术来获得极高的分辨率；sd16_a的模数转换是由一个1位、2次的调节器实现，调节器中的一个位比较器通过调节器频率量化输入信号，所产生的1位数据流由数字滤波器平均分配作为转换结果；sd16_a中的数字滤波器用梳状滤波器来处理调制器的一位数据流，在开始转换后，对于输入的步进变化，必须在获得一个有效的转换结果之前允许建立一段时间，sd16intdlyx位可以为adc的输入全程范围提供足够的滤波建立时间，如果步进和数字滤波器的采样同时进行，数据会在第三次转换时有效，异步步进会在数据有效之前，多一次转换，数字滤波器输出的位数由过采样率决定，转换存储寄存器sd16mem0和sd16a的通道相关联，转换结果随着每个数字滤波器的采样步进转移到sd16mem0，当新数据写入sd16mem0时，sd16ifg位置位，当sd16mem0被cpu读取时，sd16ifg自动清0。

纵向钢卷位移监测算法如下：

（1）以球心o为原点，建立两个坐标系，一个为整体环境坐标系即定坐标系oxyz，另一个为与运动球体相对应的动坐标系oxyz，其中三个应变片压力测量装置s1、s2、s3在空间中按等距间隔放置

（2）用广义欧拉角描述球体的转动，假设球体先绕x轴转动α角，再绕当前的y轴转动β角，最后再绕当前的z轴转动γ角，由方向余弦乘法得出转动合成结果

（3）设定坐标系oxyz中三个坐标轴的单位向量为i，j，k，则球体运动时的角速度为：

（4）设为第i个水银管绕动坐标系oxyz的转动惯量，设为外球壳绕动坐标系oxyz的转动惯量，二者均需要根据装置具体情况而征订的参数值，为固定值，则球体运动系统的整体转动惯量

（5）设球体的角加速度在动坐标系oxyz坐标轴中的分量为、、，即：

（6）设单个水银管产生的重力在球体转动过程中对应变片产生的压力为，则联立（4）、（5）得

（7）设球体在惯性坐标系oxyz的xoy面上的最近接触点为g(x,y)，接触的一瞬间为球体的平衡状态，即速度，设在xoy面上的分量为和，则：

（8）联立（6）（7）的公式则可得出球体位置和水银管的角度姿态

（9）按照设定的采样时间记录球体每个时刻的位置数据，拟合曲线得出运动轨迹。