开题报告-基于STM32的钢丝绳芯输送带在线自动监测系统设计

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目: 基于STM32的钢丝绳芯输送带在线自动监测系统设计专 业: 自动化（数控技术） 班 级学生姓名指导教师2014年03月20日说 明1根据南京工程学院毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名 朱佳 学 号 203100740 专 业 自动化（数控技术）指导教师 刘大伟 职 称 实验师 所在院 系 自动化学院课题来源 自拟课题课题性质 工程设计课题名称 基于STM32的钢丝绳芯输送带在线自动监测系统设计毕业设计的内容和意义 课题背景：本毕业设计是基于加磁钢丝绳芯断裂处磁场变化的原理，通过霍尔传感器自动检测绳芯磁场状况，并将检测到的数据在液晶屏显示并传送到电脑端。课题内容：本课题设计一套实用的钢丝绳芯输送带在线检测系统，实现钢丝绳芯输送带的在线、实时、连续、自动监测，解决输送带断裂隐患的检测难题。本课题需要研究漏磁检测原理，进行传感器的选型、检测系统的结构设计、小信号放大、数据滤波并压缩、以太网通讯等方面的工作。论文包括系统总体设计、模块选型、硬件电路设计、软件编制、系统仿真和调试等内容。毕业设计内容：一、 总体方案设计二、 硬件系统设计1霍尔元件测量磁场电路的设计2小信号放大电路的设计3滤波电路的设计4STM32最小系统电路的设计5时钟芯片与STM32接口电路的设计6液晶显示驱动电路的设计7电源模块电路的设计8以太网模块电路设计三、软件系统设计1. 主程序和中断程序的设计2. 液晶驱动程序的设计3. ADC转换程序的设计4. 以太网驱动程序的设计5. 触屏输入程序的设计课题的意义：将钢丝绳局部加磁，通过采用线性霍尔传感器和AD转换模拟量技术，设计系统具有监测钢丝绳周围磁场变化量，将此变化量转为霍尔电压的变化，然后以图形、报表等形式显示出来，实现对钢丝绳芯是否断裂漏磁的检测功能。本设计具有很大的实用价值。文献综述钢丝绳广泛应用于国民经济的多个重要领域，但钢丝绳在使用过程中始终存在安全隐患突出、经济性差、事故危害大等世界性难题。目前，国内煤炭系统还有很多用户沿用人工检测方法进行钢丝绳安全管理。人工检查有许多弊病，因此造成煤炭系统多年来提升运输事故不断，损伤很大。多年来，人们一直在探索钢丝绳的损伤机理和检测钢丝绳缺陷的各种方法，国内外的科技工作者已经提出了很多适合于钢丝绳状态检测的无损检测方法，其中具有代表性的有以下几种：声学检测法、机械检测法、射线检测法、电流检测法、光学检测法、电涡流检测法、产生波检测法、振动检测法、声发射检测法和磁检测法。上述方法中，前四种或因检测信号易受干扰，或因检测结果难以记录，或因设备费用太高，或因检测性能太差，至今未能走出实验室。其他方法均得到实际运用。磁检测法是检测钢丝绳的首选方法。这一方法长期以来受到人们的重视，也是目前最为成熟的检测方法。钢丝绳绝大多说采用导磁性良好的高碳钢制成，很适合于利用电磁检测法进行检测；同时检测法具有成本较低，抑郁实现等优点，因而，目前使用的钢丝绳技术和仪器几乎都采用磁检测法。磁检测法检测钢丝绳缺陷（断丝、磨损、锈蚀等）的基本原理是，用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳，当钢丝绳通过这一磁化磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷，则会在钢丝绳表面产生漏磁场，或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通变化，采用磁敏元件检测这些磁场的畸变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息。目前，在钢丝绳电磁检测技术领域中，国外比较先进的是加拿大矿业能源技术中心和美国NDT公司。近几年，俄罗斯的Intron公司的钢丝绳检测系统的数字化方面也做了很多工作，使检测仪器向小型轻便、多功能方向发展。在国内，华中科技大学的杨叔子、康宜华等人对钢丝绳断丝研究确定一系列成果，近几年对基于永磁和霍尔元件的钢丝绳缺陷探头又进行了深入的研究，采用偶极子模型计算了钢丝绳断丝的漏磁场，研制了相应的检测装置，七检测器件为霍尔元件；为了提高检测的灵敏度和信噪比，采用了聚磁计术；在信号处理方面采用了人工神经网络方法和检测的结果进行定量分析；给出的实验结果显示，可以定量区分出断丝的根数和断丝的位置（内部或表面）。但是由于它采用强磁激励，使得检测时钢丝绳的运行阻力很大，运行速度被限制；而且由于霍尔元件的灵敏度较低，探伤仪器要求贴近钢丝绳表面，很难实现钢丝绳的在线监测。近年，洛阳先导科技发展有限公司的窦毓堂等人研制了钢丝绳弱磁无损定量监测系统，采用了弱磁探伤仪，其中使用的检测器件为窦氏元件，灵敏度较高，检测时依据钢丝绳内外部空间磁矢量和磁能势各类损伤导致的磁场差异信息。但是系统中的数据处理模式还存在不足，使得检测的境地还有待提高。由于钢丝绳结构的复杂性，想要得到断丝漏磁场的解析表达式非常困难。在一起的研究中，人们是采用磁偶极子模型计算断丝产生的漏磁场，但是，则种模块存在着明显的缺陷。目前最广泛、最行之有效的数值解法-有限元法是基于变分原理的，能适合不同形态的边界形状，尤其便于处理非线性、多层媒质的场，可用于计算断丝产生的漏磁场。且有限元模型充分考虑了材料的非线性磁特性，因此计算模型具有精度高等特色。近几年来，国外在利用有限元模块，在漏磁检测反演问题研究方面做了一些研究工作。文献综述电磁检测方法是一种间接检测法，由于方式是缺陷状况的复杂性，检测信号的交换与处理相当复杂，国内外的有关专家学者应用了西东确定性信号处理方法和随机性信号处理方法来解决这一问题。国外的科技工作者对断丝定量检测方法做了一些初步研究，当研究工作主要集中于探伤传感器上，实验性的研究了局部集中断丝的探伤传感器输出信号特征上的变化，以求得明显、定量反映断丝根数的信号特征。国内的专家学者们也在钢丝绳的信号处理技术领域做了很多研究。当前方式是电磁检测技术中存在的问题有以下几个方面：1、强磁检测存在的问题。强磁检测下，传感器灵敏度低，要求贴近钢丝绳表面，检测通过能力弱；强磁磁化强度强，对被测物体的磁场束缚力角度，钢丝绳和探伤仪器之间做相对运动分困难。2、钢丝绳LF缺陷定量检测问题。LF定量检测主要是指钢丝绳断丝的根数判别。目前对断丝的检测主要采用基于霍尔元件的漏磁通法，其基本依据是钢丝绳断丝后端口向外扩散的漏磁通峰值大学。从钢丝绳结构上讲，所能检测到的单根断丝漏磁通的大学取决于断丝的截面中的位置断口的长度磁化的饱和程度、钢丝绳直径大小聚磁器结构、霍尔元件的提离值、霍尔元件的性能、钢丝绳捻制结构及受力状态等诸多不确定因素。如果在检测区段内自有极少量断丝且分布在外表面，则还容易判别。若果在同一截面内外有多根断丝或不同截面的数根断丝断口相距很近或钢丝直径很细，加上断丝在截面位置的随机性，所检测到的漏磁通幅值大小并不随断丝根数呈线性变化或呈其他形式的确定性变化。这就给定量判别断丝带来较大误差。3、钢丝绳各种缺陷模式的磁信号特征研究问题。虽然，人们把钢丝绳缺陷大致分为LF和LMA，但是不同的缺陷模式，如研制锈蚀、点蚀、局部磨损、较长绳段磨损、夹渣、断丝的复杂分布、绳股变形、润滑不良、丝股松弛等等，在磁信号中的变形尚有待深入研究，更谈不上计算机自动识别。参考文献：1 周宁.钢丝绳无损检测技术的研究 D. 北京邮电大学. 20072 郑明山.钢丝绳断丝检测系统设计 D. 武汉理工大学. 20053 周郁明.基于磁阻传感器的钢丝绳断丝信号的提取及处理 D. 华中科技大学.4 李国勇. 钢丝绳实时在线检测系统研发 D. 北京邮电大学. 20105 徐俊峰.钢丝绳断丝损伤的智能化检测技术研究 D. 武汉理工大学. 20026 杨叔子等著. 钢丝绳断丝定量检测原理与技术M. 国防工业出版社, 19957 D. Minkov,Y. Takeda,T. Shoji,J.Lee.Estimating the sizes of surface cracks based on Hall element measurements of the leakage magnetic field and a dipole model of a crackJ 2002,Applied Physics A Materials Science & Processing(2):1691768 周强. 钢丝绳力磁效应与疲劳损伤漏磁信号监测的研究 D. 武汉理工大学. 20029 王红尧. 煤矿提升钢丝绳在线检测关键技术研究 D. 中国矿业大学. 2009研究内容本设计在吸取前人研究成果的基础上，针对电器钢丝绳电磁检测技术的发展现状及存在的问题，从以下几个方面对于基于弱磁的钢丝绳断丝检测磁特性进行改良。1、增大霍尔传感器的精度，提升可靠性。可选方案有两种：1）在霍尔传感器的输出口接集成放大电路，在检测时可以观察到较大的变化量；2）单个霍尔元件的转换效率较低，为了得到较大的霍尔电动势输出，可把几个霍尔元件输出电压串联起来，当控制电流极应该并联。2、调整检测循环方式。调整方案如下：1）因为股间漏磁场是一个有规律和周期性的空间场，它是沿钢丝绳轴向空间长度的周期函数，其周期为钢丝绳的股间距长度，所以可将两次测量的距离间隔设定为股间距长度；2）由于本设计是检测皮带机内钢丝绳的断丝，所以可将检测模块与皮带机电机相连，每当电机移动一个步距，霍尔传感器就可以检测一次，STM32内置的A/D为12位高速ADC，最快检测周期为1s，16路检测周期不会超过1ms，对3m/s运动的皮带机进行检测绰绰有余。3、设计远程监控模式。以往的探伤仪只能在仪器的液晶屏上查看检测的数据，通过人眼对变化电压的曲线来识别是否有断丝，本设计利用以太网功能使PC机或移动设备可在局域网每进行实时检测。设计方案有以下三种：1）将检测器端设为服务器，PC端和移动端均可通过软件客户端访问检测器模块，并查看数据；2）将设有固定IP的PC作为服务器，检测器实时通过以太网给PC发送检测数据；3）检测器端的以太网模块支持web页面访问，PC和移动设备可以通过局域网络访问检测器的web页面，在此页面中检测器实时显示检测数据。研究计划第一周 查阅资料，了解钢丝绳无损检测方法第二周 查阅资料，掌握漏磁检测原理原理第三周 设计系统的整体方案，撰写开题报告第四周 系统功能模块选型设计第五周 硬件电路设计，绘制系统原理图、原理图修改第六周 系统PCB元件布局设计、修改、制版第七周 合理设计程序总体框架，绘制程序流程图第八周 编写、调试程序第九周 编写、调试程序第十周 系统软硬件联合调试第十一周 系统软