現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器的研制

梁展碩

摘 要：我國建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時也存在著諸多安全隱患，其中隧道、基坑以及邊坡開挖過程中所出現(xiàn)事故的頻率最高，造成的損失也相對較大。針對此類工程問題，我們設(shè)計了現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器。傳感器運用全橋測量的方法，壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)化成為電信號即液晶屏數(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)場工作人員在發(fā)生危險時能及時撤離，使現(xiàn)場管理人員能及時采取預(yù)警方案，避免生命和財產(chǎn)損失。

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

一、項目立項與研究的目的、意義

1.1立項背景：

在我國建筑行業(yè)日益蓬勃發(fā)展的同，時也存在著諸多安全隱患。近年來，我國城市化進(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。與此同時，我國城市高層建筑、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，我們也付出了慘痛的代價。在建筑施工過程中各種安全問題層出不窮，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產(chǎn)損失。在這些安全問題中，隧道、基坑以及邊坡開挖過程中所出現(xiàn)事故的頻率最高，造成的損失也相對較大。在施工過程中，塌方突發(fā)事故屢見不鮮。

1.2研究目的：

研制一個現(xiàn)場可視化土壓傳感器，能在土層壓力發(fā)生異常變化時及時預(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)場可視化無線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)場工作人員在發(fā)生危險時能及時撤離，使現(xiàn)場管理人員能及時采取預(yù)警方案，避免生命和財產(chǎn)損失。

1.3.2降低成本，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益

現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器的成本低廉，但在施工監(jiān)測方面卻有很好的效果。使用現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器可以降低成本，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.3減少施工監(jiān)測人員的工作量

現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器可以根據(jù)壓力預(yù)警值現(xiàn)場及時做出警報，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，現(xiàn)場可視化無線土壓力傳感器比施工監(jiān)測人員的預(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、項目研究的主要內(nèi)容

對于本項目的研究可以概括為以下幾個主要的研究內(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：

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

如圖所示，本裝置主要通過壓力傳感器測量所受壓力大小，壓力傳感器所產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換進(jìn)而控制全色LED顯示、報警電路、數(shù)碼管等進(jìn)行報警。

2.2全橋電路和A/D轉(zhuǎn)化

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

2.3顏色控制板的電路板設(shè)計：

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

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、觸點裝置及電池系統(tǒng)，最后進(jìn)行組裝，形成成品。

三、項目研究過程與方法（包含研究方法、研究過程、資料與數(shù)據(jù)來源等）

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

在研制土壓力傳感器的過程中，我們小組進(jìn)行了對于土壓力傳感器的一個研究現(xiàn)狀的調(diào)查工作。我們查閱了大量的國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)，和已經(jīng)在市場上使用的土壓力傳感器進(jìn)行了對比。綜合來看，采用了文獻(xiàn)分析法和實際調(diào)研的研究方法進(jìn)行了我們的項目研究與研發(fā)。

首先，我們將項目分為三個部分進(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，顏色控制板的電路板設(shè)計以及后期完善的WIFI模塊遠(yuǎn)程傳輸裝置等。在這三個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)計方面，我們采取的是七色變色界別區(qū)分，通過學(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)字信號控制之下的的自由轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)良好的直觀預(yù)警效果。在解決燈光顏色轉(zhuǎn)換的問題上，我們采用了電壓比較器的功能實現(xiàn)，對于不同的數(shù)字信號在數(shù)據(jù)處理后會產(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，我們通過不斷地對比分析找到了一種相對比較可行的方案，即通過“TTL門電路”結(jié)構(gòu)來控制LED燈顏色變化。TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體二極管，以此來控制電路，達(dá)到預(yù)期效果。

但真正實際操作過程中，又因為其性能不太穩(wěn)定，調(diào)試過于復(fù)雜，我們又開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)編程來制作。再深入下去，我們就搜索到了PWM和LED燈設(shè)計的相關(guān)文獻(xiàn)。PWM有以下幾個優(yōu)點：1、PWM控制效率很高，對LED的工作電壓，可以做到不消耗電能在限流電阻上。2、可以自動適應(yīng)輸入電壓范圍.即使輸入電壓低于LED的點亮電壓，LED仍然正常發(fā)光。所以我們最終采用了PWM來控制LED燈的顏色變化。通過我們不斷地調(diào)試和檢驗，最后LED燈達(dá)到了預(yù)期的效果。

四、項目創(chuàng)新點（或特色）

該項目的創(chuàng)新點在于提供了一種新的工程預(yù)警方法。

4.1、壓力信號可視化，及時預(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燈光顏色變換來顯示并及時被現(xiàn)場人員所感知，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理實時化及現(xiàn)場可視化。

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。