CN108680248A - 一种铁轨振动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁轨振动监测装置，该装置包括电压转换模块、单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块；所述数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块分别与所述电压转换模块及所述单片机系统相连，所述电压转换模块与所述单片机系统相连。本申请提供的铁轨振动监测装置，为以加速度传感器、单片机为核心部件的铁轨振动检测装置，电路结构简单，测试精度高，操作方便，适用于铁轨在火车车轮激励下的振动量实时检测。用于在火车经过铁轨的过程中，对铁轨在火车车轮激励下的振动情况进行实时检测，实现长时间、实时地监测铁轨运行状态和安全状况。

Description

一种铁轨振动监测装置

技术领域

本发明涉及铁路运行状态监测技术领域，特别是涉及一种以微加速度传感器为核心部件的铁轨振动监测装置。

背景技术

我国铁路建设事业发展迅猛，并已取得良好的经济与社会效益。随着铁路运输速度的不断提升，对铁轨运行状态的监测已成为铁路线路安全运行的重要前提，尤其是在偏远地区路段，对铁轨的运行状态、安全状况的实时监测是目前铁路运行状态监控的瓶颈，更是保障铁路安全运行的技术难点。

铁轨在火车车轮激励下的振动是铁轨运行状态监测的重要内容，铁轨振动的监测涉及传感技术、网络通信技术和振动分析技术等多个学科。当前大量事实表明，在高速重载的情况下，铁轨振动异常可能会导致货物破损、轨道破坏、道床偏移、列车脱轨等危险情况。铁路建设只有借助各种新型传感器不断的提高其科技化、智能化水平，才能确保铁路“安全、经济、快捷”的运行，并在激烈的国际市场竞争中取得优势。因此，铁轨振动检测装置对铁路事业的长足发展具有重要意义。

常见的加速度传感包括压阻式、压电式和电容式等，多用在地震检测、报警系统、工程测振、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析中。同时现有的加速度传感器具有体积小和重量轻等特点，可以集成在印刷电路板上用于测量三维加速度，能够全面而准确地反映物体的运动性质，所以对于铁轨振动的检测使用加速度传感器是十分重要且可行的一种技术手段。

发明内容

本发明提供了一种铁轨振动监测装置。用于在火车经过铁轨的过程中，对铁轨在火车车轮激励下的振动情况进行实时检测，实现长时间、实时地监测铁轨运行状态和安全状况，及时识别结构潜在的损伤， 以便维护人员采取有效地维修措施，降低结构维护成本。

本发明提供了如下方案：

一种铁轨振动监测装置，包括：

电压转换模块、单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块；所述数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块分别与所述电压转换模块及所述单片机系统相连，所述电压转换模块与所述单片机系统相连；

所述电压转换模块用于所述单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块供电；

所述数据采集模块用于根据接收到所述单片机系统输出的控制信号采集铁轨振动的加速度数据；

所述SD卡存储模块用于储存所述加速度数据；

所述振动唤醒模块用于当检测到铁轨震动信号后将处于待机状态的所述单片机系统唤醒；

所述串口显示模块用于实时监测所述单片机系统输出的数据是否正常。

优选的：还包括与所述单片机系统相连的程序下载模块，所述程序下载模块用于下载控制程序。

优选的：所述电压转换模块包括电压转换芯片、用于外接电源的USB母座、控制整个电路开关的拨动开关、第一限流电阻、用于指示整个装置是否正常供电的电源指示灯、第一滤波电容、第二滤波电解电容、第三滤波电容和第四滤波电解电容。

优选的：所述电压转换芯片的型号为AMS1117-3.3。

优选的：所述单片机系统包括单片机芯片、第二分压电阻、第三分压电阻、第五滤波电容、第六滤波电容、第七滤波电容、第八滤波电容、第九滤波电容、第十滤波电容、第十一滤波电容、第十二滤波电容、第十三滤波电容、第十四滤波电容、第十五滤波电容、第一时钟晶振、第二时钟晶振和复位按键。

优选的：所述单片机芯片的型号为STM32F103RET6。

优选的：所述数据采集模块包括加速度传感器、第十六滤波电容、第十七滤波电容、第十八滤波电容和第十九滤波电容。

优选的：所述加速传感器的型号为MMA7631L。

优选的：所述振动唤醒模块包括双电压比较芯片、振动开关、电位器、第十三分压电阻、第十五上拉电阻、第二十一滤波电容和第二十二滤波电容。

优选的：所述双电压比较芯片的型号为LM393，所述的振动开关的型号为SW-420。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种铁轨振动监测装置，在一种实现方式下，该装置可以包括电压转换模块、单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块；所述数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块分别与所述电压转换模块及所述单片机系统相连，所述电压转换模块与所述单片机系统相连；所述电压转换模块用于所述单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块供电；所述数据采集模块用于根据接收到所述单片机系统输出的控制信号采集铁轨振动的加速度数据；所述SD卡存储模块用于储存所述加速度数据；所述振动唤醒模块用于当检测到铁轨震动信号后将处于待机状态的所述单片机系统唤醒；所述串口显示模块用于实时监测所述单片机系统输出的数据是否正常。本申请提供的铁轨振动监测装置，为以加速度传感器、单片机为核心部件的铁轨振动检测装置，电路结构简单，测试精度高，操作方便，适用于铁轨在火车车轮激励下的振动量实时检测。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的连接框图;

图2为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的电压转换模块电路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的单片机系统电路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的数据采集模块电路原理图；

图5为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的程序下载模块电路原理图；

图6为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的SD卡存储模块电路原理图；

图7为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的振动唤醒模块电路原理图；

图8为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置的串口显示模块电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种铁轨振动监测装置，如图1所示，该结构包括电压转换模块1、单片机系统2、数据采集模块3、SD卡存储模块5、振动唤醒模块6以及串口显示模块7；所述数据采集模块3、SD卡存储模块5、振动唤醒模块6以及串口显示模块7分别与所述电压转换模块1及所述单片机系统2相连，所述电压转换模块1与所述单片机系统2相连；所述单片机系统2包括单片机芯片、第二分压电阻、第三分压电阻、第五滤波电容、第六滤波电容、第七滤波电容C7、第八滤波电容、第九滤波电容、第十滤波电容、第十一滤波电容、第十二滤波电容、第十三滤波电容、第十四滤波电容、第十五滤波电容、第一时钟晶振、第二时钟晶振和复位按键。所述单片机芯片的型号为STM32F103RET6。

所述电压转换模块1用于所述单片机系统2、数据采集模块3、SD卡存储模块5、振动唤醒模块6以及串口显示模块7供电；所述电压转换模块1包括电压转换芯片、用于外接电源的USB母座、控制整个电路开关的拨动开关、第一限流电阻、用于指示整个装置是否正常供电的电源指示灯、第一滤波电容、第二滤波电解电容、第三滤波电容和第四滤波电解电容。所述电压转换芯片的型号为AMS1117-3.3。

所述数据采集模块3用于根据接收到所述单片机系统2输出的控制信号采集铁轨振动的加速度数据；所述数据采集模块3包括加速度传感器、第十六滤波电容、第十七滤波电容、第十八滤波电容和第十九滤波电容。所述加速传感器的型号为MMA7631L。

所述SD卡存储模块5用于储存所述加速度数据；

所述振动唤醒模块6用于当检测到铁轨震动信号后将处于待机状态的所述单片机系统2唤醒；所述振动唤醒模块6包括双电压比较芯片、振动开关、电位器、第十三分压电阻、第十五上拉电阻、第二十一滤波电容和第二十二滤波电容。所述双电压比较芯片的型号为LM393，所述的振动开关的型号为SW-420。

所述串口显示模块7用于实时监测所述单片机系统2输出的数据是否正常。

还包括与所述单片机系统2相连的程序下载模块4，所述程序下载模块4用于下载控制程序。

下面通过各部件的电路原理图对本申请提供的方案进行详细说明。

如图2所示为该发明的电压转换模块电路原理图：电压转换模块包括电压转换芯片U1（AMS1117-3.3）、 USB母座J1、拨动开关S1、第一限流电阻R1、电源指示灯DS、第一滤波电容C1、第二滤波电解电容C2、第三滤波电容C3和第四滤波电解电容C4。

供电电源通过USB母座J1引入，USB母座J1的1引脚接拨动开关S1的3引脚，USB母座的5引脚接地；拨动开关S1的2引脚与电压转换芯片U1的3引脚、第三滤波电容C3的一端、第一限流电阻R1的一端、第四滤波电解电容的正极连接，拨动开关控制整个电路供电电源的引入；电压转换芯片U1的1引脚与第三滤波电容C3的另一端相连并接地；第一限流电阻R1的另一端与电源指示灯DS的正极相连，电源指示灯DS的负极与第四滤波电解电容的负极相连并接地；电压转换芯片U1的2引脚与电压转换芯片U1的4引脚、第一滤波电容C1的一端、第二滤波电解电容的正极相连并作为3.3V供电电源的输出，第一滤波电容C1的另一端与第二滤波电解电容C2的负极相连并接地；USB母座的2引脚和3引脚分别与串口显示模块的USB总线转接芯片U6的6引脚和5引脚相连，用于串口传输数据。

如图3所示为该发明的单片机系统电路原理图：单片机系统包括单片机芯片U2（STM32F103RET6）、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8、第九滤波电容C9、第十滤波电容C10、第十一滤波电容C11、第十二滤波电容C12、第十三滤波电容C13、第十四滤波电容C14、第十五滤波电容C15、第一时钟晶振X1、第二时钟晶振X2和复位按键K1。

单片机芯片U2的1引脚与第十二滤波电容C12的一端连接，第十二滤波电容C12的另一端与3.3V供电电源连接；单片机芯片U2的32引脚、48引脚、64引脚和19引脚分别与第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8和第九滤波电容C9的一端连接并接3.3V工作电源，第六滤波电容C6、第七滤波电容C7、第八滤波电容C8和第九滤波电容C9的另一端与单片机芯片U2的31引脚、47引脚、63引脚和18引脚连接并接地；第三分压电阻的一端接3.3V工作电源，第三分压电阻的另一端与单片机芯片的13引脚和第十三滤波电容C13的一端连接，第十三滤波电容C13的另一端与单片机芯片U2的12引脚连接并接地；单片机芯片U2的5引脚与第二时钟晶振X2的一端和第十四滤波电容C14的一端连接，单片机芯片U2的6引脚与第二时钟晶振X2的另一端和第十五滤波电容C15的一端连接，第十四滤波电容C14的另一端和第十五滤波电容C15的另一端连接并接地，用于在整个电路中提供一个基本时钟；单片机芯片U2的3引脚与第一时钟晶振X1的一端和第十滤波电容C10的一端连接，单片机芯片U2的4引脚与第一时钟晶振X1的另一端和第十一滤波电容C11的一端连接，第十滤波电容C10的另一端与第十一滤波电容C11的另一端连接并接地；单片机芯片U2的7引脚与第二分压电阻R2的一端、复位按键K1的一端、第五滤波电容C5的一端连接，第二分压电阻R2的另一端接3.3V工作电源，复位按键K1的另一端与第五滤波电容C5的另一端连接并接地，用于整个电路的复位；

单片机芯片U2的14引脚与振动唤醒模块中的双电压比较芯片U5的1引脚和第十五分压电阻R15的一端连接，用于将比较电压传输给单片机；单片机芯片U2的15引脚、16引脚、17引脚、20引脚、21引脚、22引脚和23引脚分别与数据采集模块中的加速度传感器U3的2引脚、3引脚、4引脚、13引脚、7引脚、10引脚和9引脚连接；单片机芯片U2的39引脚、40引脚、51引脚、52引脚、53引脚和54引脚分别与SD卡存储模块的SD卡的7引脚、8引脚、1引脚、2引脚、5引脚和3引脚连接；单片机芯片U2的42引脚和43引脚分别与串口显示模块的USB总线转接芯片U6的3引脚和2引脚连接；单片机芯片U2的46引脚和49引脚分别与程序下载模块的跳线接口P1的2引脚和3引脚连接；单片机芯片U2的28引脚和60引脚分别与第六分压电阻R6的一端和第七分压电阻的一端连接，单片机芯片U2的其余引脚架空。

单片机系统不仅控制数据采集模块采集铁轨振动的加速度数据，还将所采集到的数据进行转换，将转换后的数据存储到SD卡存储模块中。

如图4所示为该发明的数据采集模块电路原理图：数据采集模块包括加速度传感器U3（MMA7361L）、第十六滤波电容C16、第十七滤波电容C17、第十八滤波电容C18和第十九滤波电容C19。

加速度传感器U3的2引脚、3引脚和4引脚分别与第十六滤波电容C16的一端、第十七滤波电容C17的一端和第十八滤波电容C18的一端相连，第十六滤波电容C16的另一端与第十七滤波电容C17的另一端和第十八滤波电容C18的另一端连接并接地；加速度传感器U3的6引脚与第十九滤波电容C19的一端相连并与3.3V供电电源连接，加速度传感器U3的5引脚与第十九滤波电容C19的另一端相连并接地，加速度传感器U3的其余引脚架空。加速度传感器U3的2引脚、3引脚和4引脚分别为加速度传感器的X、Y和Z轴；速度传感器U3的7引脚用于控制芯片是否进入睡眠模式，高电平正常工作低电平进入睡眠模式；速度传感器U3的9引脚用于自由落体检测，当芯片自由落体时会有输出；速度传感器U3的10引脚用于设置灵敏度，高电平时灵敏度高，低电平时灵敏度低；速度传感器U3的13引脚用于自我检测，验证三轴是否输出正常。

如图5所示为该发明的程序下载模块电路原理图：程序下载模块包括SWD下载接口P1、BOOT模式设置接口P2、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6和第七分压电阻R7。

SWD下载接口P1的2引脚和3引脚分别与第四分压电阻R4的一端和第五分压电阻R5的一端连接，第四分压电阻R4的另一端与3.3V供电电源连接，第五分压电阻R5的另一端接地；SWD下载接口P1的1引脚与3.3V供电电源和连接，SWD下载接口P1的4引脚接地；BOOT模式设置接口P2的3引脚和4引脚分别与第六分压电阻R6的另一端和第七分压电阻R7的另一端连接，BOOT模式设置接口P2的1引脚和2引脚相连并与3.3V供电电源连接，BOOT模式设置接口P2的5引脚和6引脚相连并接地。

如图6所示为该发明的SD卡存储模块电路原理图：SD卡存储模块包括SD卡U4、第八上拉电阻R8、第九上拉电阻R9、第十上拉电阻R10、第十一上拉电阻R11、第十二上拉电阻R12和第二十滤波电容C20。

SD卡U4的3引脚、2引脚、1引脚、8引脚和7引脚分别与第八上拉电阻R8的一端、第九上拉电阻R9的一端、第十上拉电阻R10的一端、第十一上拉电阻R11的一端和第十二上拉电阻R12的一端连接，第八上拉电阻R8的另一端与第九上拉电阻R9的另一端、第十上拉电阻R10的另一端、第十一上拉电阻R11的另一端和第十二上拉电阻R12的另一端相连并与3.3V供电电源连接；第二十滤波电容C20的一端与SD卡U4的6引脚相连并与3.3V供电电源连接，第二十滤波电容C20的另一端与SD卡U4的4引脚相连并接地，SD卡U4的其余引脚架空。

如图7所示为该发明的振动唤醒模块电路原理图：振动唤醒模块包括双电压比较芯片U5（LM393）、振动开关P3（SW-420）、电位器R14、第十三分压电阻R13、第十五上拉电阻R15、第二十一滤波电容C21和第二十二滤波电容C22。

双电压比较芯片U5的2引脚与电位器R14的2引脚连接；双电压比较芯片U5的3引脚与电位器R14的3引脚、第二十二滤波电容C22的一端、第十三分压电阻的一端和振动开关P3的1引脚相连并接地；双电压比较芯片U5的1引脚与第十五上拉电阻R15一端相连，双电压比较芯片U5的4引脚与第十五上拉电阻R15另一端、电位器R14的1引脚、第十三分压电阻R13的另一端、第二十一滤波电容C21的一端连接并与3.3V供电电源相连；双电压比较芯片U5的8引脚与第二十一滤波电容C21的另一端、振动开关P3的2引脚、第二十二滤波电容C22的另一端相连并接地，双电压比较芯片的其余引脚架空。待机模式下，若铁轨振动，通过待机唤醒模块的电压比较功能，单片机芯片U2的14引脚检测到高低电平的跳变，将唤醒单片机芯片U2，重新进行数据采集和数据存储功能。

如图8所示为该发明的串口显示模块电路原理图：串口显示模块包括USB总线转换芯片U6（CH340G）、第三时钟晶振X3、第二十三滤波电容C23和第二十四滤波电容C24。

USB总线转换芯片U6的1引脚与第二十三滤波电容C23的一端相连并接地，USB总线转换芯片U6的16引脚和第二十三滤波电容C23的另一端相连并与3.3V供电电源连接；USB总线转换芯片U6的4引脚直接与3.3V供电电源连接；USB总线转换芯片U6的7引脚与第三时钟晶振X3的一端、第二十四滤波电容C24的一端连接，USB总线转换芯片U6的8引脚与第三时钟晶振X3的另一端、第二十五滤波电容C25的一端连接，第二十四滤波电容C24的另一端与第二十五滤波电容C25的另一端相连并接地，USB总线转换芯片U6的其余引脚架空，串口显示模块用于指示程序是否正常运行，同时实时检测数据输出是否正常。

本申请提供的铁轨振动监测装置，为以加速度传感器、单片机为核心部件的铁轨振动检测装置，电路结构简单，测试精度高，操作方便，适用于铁轨在火车车轮激励下的振动量实时检测。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铁轨振动监测装置,其特征在于，包括：电压转换模块、单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块；所述数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块分别与所述电压转换模块及所述单片机系统相连，所述电压转换模块与所述单片机系统相连；所述电压转换模块用于所述单片机系统、数据采集模块、SD卡存储模块、振动唤醒模块以及串口显示模块供电；所述数据采集模块用于根据接收到所述单片机系统输出的控制信号采集铁轨振动的加速度数据；所述SD卡存储模块用于储存所述加速度数据；所述振动唤醒模块用于当检测到铁轨震动信号后将处于待机状态的所述单片机系统唤醒；所述串口显示模块用于实时监测所述单片机系统输出的数据是否正常。

2.根据权利要求1所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，还包括与所述单片机系统相连的程序下载模块，所述程序下载模块用于下载控制程序。

3.根据权利要求1所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述电压转换模块包括电压转换芯片、用于外接电源的USB母座、控制整个电路开关的拨动开关、第一限流电阻、用于指示整个装置是否正常供电的电源指示灯、第一滤波电容、第二滤波电解电容、第三滤波电容和第四滤波电解电容。

4.根据权利要求3所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述电压转换芯片的型号为AMS1117-3.3。

5.根据权利要求1所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述单片机系统包括单片机芯片、第二分压电阻、第三分压电阻、第五滤波电容、第六滤波电容、第七滤波电容、第八滤波电容、第九滤波电容、第十滤波电容、第十一滤波电容、第十二滤波电容、第十三滤波电容、第十四滤波电容、第十五滤波电容、第一时钟晶振、第二时钟晶振和复位按键。

6.根据权利要求5所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述单片机芯片的型号为STM32F103RET6。

7.根据权利要求1所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述数据采集模块包括加速度传感器、第十六滤波电容、第十七滤波电容、第十八滤波电容和第十九滤波电容。

8.根据权利要求7所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述加速传感器的型号为MMA7631L。

9.根据权利要求1所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述振动唤醒模块包括双电压比较芯片、振动开关、电位器、第十三分压电阻、第十五上拉电阻、第二十一滤波电容和第二十二滤波电容。

10.根据权利要求9所述的铁轨振动监测装置,其特征在于，所述双电压比较芯片的型号为LM393，所述的振动开关的型号为SW-420。