梁展碩

摘 要：我國(guó)建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)也存在著諸多安全隱患，其中隧道、基坑以及邊坡開(kāi)挖過(guò)程中所出現(xiàn)事故的頻率最高，造成的損失也相對(duì)較大。針對(duì)此類(lèi)工程問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器。傳感器運(yùn)用全橋測(cè)量的方法，壓力信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)即液晶屏數(shù)值和LED燈的不同顏色。其中使用的全色LED燈可以根據(jù)壓力預(yù)警值顯示綠色、藍(lán)色、黃色、紅色等表示不同預(yù)警程度，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能及時(shí)撤離，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員能及時(shí)采取預(yù)警方案，避免生命和財(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：LED燈 A/D轉(zhuǎn)化 預(yù)警 現(xiàn)場(chǎng)可視化

一、項(xiàng)目立項(xiàng)與研究的目的、意義

1.1立項(xiàng)背景：

在我國(guó)建筑行業(yè)日益蓬勃發(fā)展的同，時(shí)也存在著諸多安全隱患。近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程向西部地區(qū)延伸，公路交通逐漸向崇山峻嶺穿越，山嶺公路隧道以年均350公里的速度增長(zhǎng)。與此同時(shí)，我國(guó)城市高層建筑、橋梁、地鐵等建設(shè)也正在蓬勃發(fā)展。但是，隨著這些建設(shè)取得巨大成就的同時(shí)，我們也付出了慘痛的代價(jià)。在建筑施工過(guò)程中各種安全問(wèn)題層出不窮，有的甚至導(dǎo)致了嚴(yán)重的工程事故，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。在這些安全問(wèn)題中，隧道、基坑以及邊坡開(kāi)挖過(guò)程中所出現(xiàn)事故的頻率最高，造成的損失也相對(duì)較大。在施工過(guò)程中，塌方突發(fā)事故屢見(jiàn)不鮮。

1.2研究目的：

研制一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可視化土壓傳感器，能在土層壓力發(fā)生異常變化時(shí)及時(shí)預(yù)警，疏散人員，減少人員傷亡損失。

1.3研究意義：

1.3.1降低施工安全隱患所造成的損失

現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器其中使用的全色LED燈可以根據(jù)壓力預(yù)警值現(xiàn)場(chǎng)顯示綠色、藍(lán)色、黃色、紅色等表示不同預(yù)警程度，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能及時(shí)撤離，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員能及時(shí)采取預(yù)警方案，避免生命和財(cái)產(chǎn)損失。

1.3.2降低成本，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益

現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器的成本低廉，但在施工監(jiān)測(cè)方面卻有很好的效果。使用現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器可以降低成本，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.3減少施工監(jiān)測(cè)人員的工作量

現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器可以根據(jù)壓力預(yù)警值現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)做出警報(bào)，這樣也就降低了施工人員的工作量，減少了人力和物力的支出。與此同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可視化無(wú)線(xiàn)土壓力傳感器比施工監(jiān)測(cè)人員的預(yù)警更加準(zhǔn)確高效，可以在防范預(yù)警方面產(chǎn)生更好的效果。

二、項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容

對(duì)于本項(xiàng)目的研究可以概括為以下幾個(gè)主要的研究?jī)?nèi)容：

2.1基于全色LED的工程原位土壓力變形可視化裝置的概念設(shè)計(jì)：

本項(xiàng)目工程原位可視化監(jiān)測(cè)裝置是在工程原位將變形信息與LED警示燈直接相連，通過(guò)LED警示燈顏色的變化實(shí)時(shí)顯示土壓力的變化狀態(tài)，可實(shí)時(shí)被現(xiàn)場(chǎng)工作人員感知，具有較好的預(yù)警效果。

如圖所示，本裝置主要通過(guò)壓力傳感器測(cè)量所受壓力大小，壓力傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)換進(jìn)而控制全色LED顯示、報(bào)警電路、數(shù)碼管等進(jìn)行報(bào)警。

2.2全橋電路和A/D轉(zhuǎn)化

通過(guò)全橋電路將信號(hào)放大，并且通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

2.3顏色控制板的電路板設(shè)計(jì)：

用壓力傳感器中信號(hào)變化控制全色LED內(nèi)三基色（紅、綠、藍(lán)）的通或斷來(lái)達(dá)到顏色的變化，使變形和燈光顏色相對(duì)應(yīng)。LED發(fā)光的原理是當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量。全色LED對(duì)應(yīng)有7中顏色，通過(guò)單片機(jī)編程作用于PWM控制器，改變顏色控制板的電路板設(shè)計(jì)，得到任意對(duì)應(yīng)的顏色和電信號(hào)組合。

2.4裝置的成品制作：

根據(jù)以上研究，制作幾種適合于不同變形量程的顏色控制板印刷電路，并選擇合適的壓力傳感器、觸點(diǎn)裝置及電池系統(tǒng)，最后進(jìn)行組裝，形成成品。

三、項(xiàng)目研究過(guò)程與方法（包含研究方法、研究過(guò)程、資料與數(shù)據(jù)來(lái)源等）

本項(xiàng)目在集體研究過(guò)程中，按照這以下的流程圖進(jìn)行著我們的各項(xiàng)活動(dòng)的調(diào)查和數(shù)據(jù)采集，最終完成了給予全橋電路的設(shè)計(jì)思路下的土壓力傳感器的研制工作。具體研究過(guò)程在以下展開(kāi)敘述。

在研制土壓力傳感器的過(guò)程中，我們小組進(jìn)行了對(duì)于土壓力傳感器的一個(gè)研究現(xiàn)狀的調(diào)查工作。我們查閱了大量的國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)，和已經(jīng)在市場(chǎng)上使用的土壓力傳感器進(jìn)行了對(duì)比。綜合來(lái)看，采用了文獻(xiàn)分析法和實(shí)際調(diào)研的研究方法進(jìn)行了我們的項(xiàng)目研究與研發(fā)。

首先，我們將項(xiàng)目分為三個(gè)部分進(jìn)行，分別是：基于全色LED的工程原位土壓力變形可視化裝置的概念設(shè)計(jì)，顏色控制板的電路板設(shè)計(jì)以及后期完善的WIFI模塊遠(yuǎn)程傳輸裝置等。在這三個(gè)部分中我將分別闡述我們的研究思路和研究方法。

其次，在顏色控制設(shè)計(jì)方面，我們采取的是七色變色界別區(qū)分，通過(guò)學(xué)習(xí)單片機(jī)編程和利用現(xiàn)有的全色LED的燈，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)控制之下的的自由轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)良好的直觀(guān)預(yù)警效果。在解決燈光顏色轉(zhuǎn)換的問(wèn)題上，我們采用了電壓比較器的功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同的數(shù)字信號(hào)在數(shù)據(jù)處理后會(huì)產(chǎn)生不同的比較放大電壓，由此控制全色LED燈管的顏色變化。

在控制LED燈顏色變化方面，我們嘗試了很多方法，其間也失敗了很多次，我們通過(guò)不斷地對(duì)比分析找到了一種相對(duì)比較可行的方案，即通過(guò)“TTL門(mén)電路”結(jié)構(gòu)來(lái)控制LED燈顏色變化。TTL集成邏輯門(mén)電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體二極管，以此來(lái)控制電路，達(dá)到預(yù)期效果。

但真正實(shí)際操作過(guò)程中，又因?yàn)槠湫阅懿惶€(wěn)定，調(diào)試過(guò)于復(fù)雜，我們又開(kāi)始尋找更加可行的方案。最終，我們考慮到將控制板統(tǒng)一使用單片機(jī)編程來(lái)制作。再深入下去，我們就搜索到了PWM和LED燈設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)。PWM有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、PWM控制效率很高，對(duì)LED的工作電壓，可以做到不消耗電能在限流電阻上。2、可以自動(dòng)適應(yīng)輸入電壓范圍.即使輸入電壓低于LED的點(diǎn)亮電壓，LED仍然正常發(fā)光。所以我們最終采用了PWM來(lái)控制LED燈的顏色變化。通過(guò)我們不斷地調(diào)試和檢驗(yàn)，最后LED燈達(dá)到了預(yù)期的效果。

四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)（或特色）

該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于提供了一種新的工程預(yù)警方法。

4.1、壓力信號(hào)可視化，及時(shí)預(yù)警。不同于傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理反饋方式，采用全色LED發(fā)光裝置，將工程原位土壓力的變化通過(guò)燈光顏色變換來(lái)顯示并及時(shí)被現(xiàn)場(chǎng)人員所感知，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化及現(xiàn)場(chǎng)可視化。

4.2、模塊化且具有多功能擴(kuò)展接口從LCD屏顯到LED燈顯，再到壓力傳感器和顯示屏，其都可以以模塊化的形式連接在控制板上。并且控制板上可以接擴(kuò)展槽，方便擴(kuò)展其功能，例如警鈴等。