現場可視化無線土壓力傳感器的研制

梁展碩

摘 要：我國建筑行業蓬勃發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，我們設計了現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轉化成為電信號即液晶屏數值和LED燈的不同顏色。其中使用的全色LED燈可以根據壓力預警值顯示綠色、藍色、黃色、紅色等表示不同預警程度，使現場工作人員在發生危險時能及時撤離，使現場管理人員能及時采取預警方案，避免生命和財產損失。

關鍵詞：LED燈 A/D轉化 預警 現場可視化

一、項目立項與研究的目的、意義

1.1立項背景：

在我國建筑行業日益蓬勃發展的同，時也存在著諸多安全隱患。近年來，我國城市化進程向西部地區延伸，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、地鐵等建設也正在蓬勃發展。但是，隨著這些建設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，有的甚至導致了嚴重的工程事故，造成了巨大的人員和財產損失。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，塌方突發事故屢見不鮮。

1.2研究目的：

研制一個現場可視化土壓傳感器，能在土層壓力發生異常變化時及時預警，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燈可以根據壓力預警值現場顯示綠色、藍色、黃色、紅色等表示不同預警程度，使現場工作人員在發生危險時能及時撤離，使現場管理人員能及時采取預警方案，避免生命和財產損失。

1.3.2降低成本，產生經濟效益

現場可視化無線土壓力傳感器的成本低廉，但在施工監測方面卻有很好的效果。使用現場可視化無線土壓力傳感器可以降低成本，從而創造更大的經濟價值，獲得可觀的經濟效益。

1.3.3減少施工監測人員的工作量

現場可視化無線土壓力傳感器可以根據壓力預警值現場及時做出警報，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，現場可視化無線土壓力傳感器比施工監測人員的預警更加準確高效，可以在防范預警方面產生更好的效果。

二、項目研究的主要內容

對于本項目的研究可以概括為以下幾個主要的研究內容：

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計：

本項目工程原位可視化監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，可實時被現場工作人員感知，具有較好的預警效果。

如圖所示，本裝置主要通過壓力傳感器測量所受壓力大小，壓力傳感器所產生的信號經過放大、轉換進而控制全色LED顯示、報警電路、數碼管等進行報警。

2.2全橋電路和A/D轉化

通過全橋電路將信號放大，并且通過A/D轉化器將壓力信號轉化為電信號。

2.3顏色控制板的電路板設計：

用壓力傳感器中信號變化控制全色LED內三基色（紅、綠、藍）的通或斷來達到顏色的變化，使變形和燈光顏色相對應。LED發光的原理是當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量。全色LED對應有7中顏色，通過單片機編程作用于PWM控制器，改變顏色控制板的電路板設計，得到任意對應的顏色和電信號組合。

2.4裝置的成品制作：

根據以上研究，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，最后進行組裝，形成成品。

三、項目研究過程與方法（包含研究方法、研究過程、資料與數據來源等）

本項目在集體研究過程中，按照這以下的流程圖進行著我們的各項活動的調查和數據采集，最終完成了給予全橋電路的設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，我們小組進行了對于土壓力傳感器的一個研究現狀的調查工作。我們查閱了大量的國內外的研究文獻，和已經在市場上使用的土壓力傳感器進行了對比。綜合來看，采用了文獻分析法和實際調研的研究方法進行了我們的項目研究與研發。

首先，我們將項目分為三個部分進行，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計，顏色控制板的電路板設計以及后期完善的WIFI模塊遠程傳輸裝置等。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，在顏色控制設計方面，我們采取的是七色變色界別區分，通過學習單片機編程和利用現有的全色LED的燈，進行數字信號控制之下的的自由轉換，實現良好的直觀預警效果。在解決燈光顏色轉換的問題上，我們采用了電壓比較器的功能實現，對于不同的數字信號在數據處理后會產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”結構來控制LED燈顏色變化。TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結構均采用半導體二極管，以此來控制電路，達到預期效果。

但真正實際操作過程中，又因為其性能不太穩定，調試過于復雜，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一使用單片機編程來制作。再深入下去，我們就搜索到了PWM和LED燈設計的相關文獻。PWM有以下幾個優點：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。通過我們不斷地調試和檢驗，最后LED燈達到了預期的效果。

四、項目創新點（或特色）

該項目的創新點在于提供了一種新的工程預警方法。

4.1、壓力信號可視化，及時預警。不同于傳統預警系統復雜的數據處理反饋方式，采用全色LED發光裝置，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場人員所感知，真正實現了數據處理實時化及現場可視化。

4.2、模塊化且具有多功能擴展接口從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展槽，方便擴展其功能，例如警鈴等。