现场可视化无线土压力传感器的研制

梁展硕

摘 要：我国建筑行业蓬勃发展的同时也存在着诸多安全隐患，其中隧道、基坑以及边坡开挖过程中所出现事故的频率最高，造成的损失也相对较大。针对此类工程问题，我们设计了现场可视化无线土压力传感器。传感器运用全桥测量的方法，压力信号通过A/D转化成为电信号即液晶屏数值和LED燈的不同颜色。其中使用的全色LED灯可以根据压力预警值显示绿色、蓝色、黄色、红色等表示不同预警程度，使现场工作人员在发生危险时能及时撤离，使现场管理人员能及时采取预警方案，避免生命和财产损失。

关键词：LED灯 A/D转化 预警 现场可视化

一、项目立项与研究的目的、意义

1.1立项背景：

在我国建筑行业日益蓬勃发展的同，时也存在着诸多安全隐患。近年来，我国城市化进程向西部地区延伸，公路交通逐渐向崇山峻岭穿越，山岭公路隧道以年均350公里的速度增长。与此同时，我国城市高层建筑、桥梁、地铁等建设也正在蓬勃发展。但是，随着这些建设取得巨大成就的同时，我们也付出了惨痛的代价。在建筑施工过程中各种安全问题层出不穷，有的甚至导致了严重的工程事故，造成了巨大的人员和财产损失。在这些安全问题中，隧道、基坑以及边坡开挖过程中所出现事故的频率最高，造成的损失也相对较大。在施工过程中，塌方突发事故屡见不鲜。

1.2研究目的：

研制一个现场可视化土压传感器，能在土层压力发生异常变化时及时预警，疏散人员，减少人员伤亡损失。

1.3研究意义：

1.3.1降低施工安全隐患所造成的损失

现场可视化无线土压力传感器其中使用的全色LED灯可以根据压力预警值现场显示绿色、蓝色、黄色、红色等表示不同预警程度，使现场工作人员在发生危险时能及时撤离，使现场管理人员能及时采取预警方案，避免生命和财产损失。

1.3.2降低成本，产生经济效益

现场可视化无线土压力传感器的成本低廉，但在施工监测方面却有很好的效果。使用现场可视化无线土压力传感器可以降低成本，从而创造更大的经济价值，获得可观的经济效益。

1.3.3减少施工监测人员的工作量

现场可视化无线土压力传感器可以根据压力预警值现场及时做出警报，这样也就降低了施工人员的工作量，减少了人力和物力的支出。与此同时，现场可视化无线土压力传感器比施工监测人员的预警更加准确高效，可以在防范预警方面产生更好的效果。

二、项目研究的主要内容

对于本项目的研究可以概括为以下几个主要的研究内容：

2.1基于全色LED的工程原位土压力变形可视化装置的概念设计：

本项目工程原位可视化监测装置是在工程原位将变形信息与LED警示灯直接相连，通过LED警示灯颜色的变化实时显示土压力的变化状态，可实时被现场工作人员感知，具有较好的预警效果。

如图所示，本装置主要通过压力传感器测量所受压力大小，压力传感器所产生的信号经过放大、转换进而控制全色LED显示、报警电路、数码管等进行报警。

2.2全桥电路和A/D转化

通过全桥电路将信号放大，并且通过A/D转化器将压力信号转化为电信号。

2.3颜色控制板的电路板设计：

用压力传感器中信号变化控制全色LED内三基色（红、绿、蓝）的通或断来达到颜色的变化，使变形和灯光颜色相对应。LED发光的原理是当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。全色LED对应有7中颜色，通过单片机编程作用于PWM控制器，改变颜色控制板的电路板设计，得到任意对应的颜色和电信号组合。

2.4装置的成品制作：

根据以上研究，制作几种适合于不同变形量程的颜色控制板印刷电路，并选择合适的压力传感器、触点装置及电池系统，最后进行组装，形成成品。

三、项目研究过程与方法（包含研究方法、研究过程、资料与数据来源等）

本项目在集体研究过程中，按照这以下的流程图进行着我们的各项活动的调查和数据采集，最终完成了给予全桥电路的设计思路下的土压力传感器的研制工作。具体研究过程在以下展开叙述。

在研制土压力传感器的过程中，我们小组进行了对于土压力传感器的一个研究现状的调查工作。我们查阅了大量的国内外的研究文献，和已经在市场上使用的土压力传感器进行了对比。综合来看，采用了文献分析法和实际调研的研究方法进行了我们的项目研究与研发。

首先，我们将项目分为三个部分进行，分别是：基于全色LED的工程原位土压力变形可视化装置的概念设计，颜色控制板的电路板设计以及后期完善的WIFI模块远程传输装置等。在这三个部分中我将分别阐述我们的研究思路和研究方法。

其次，在颜色控制设计方面，我们采取的是七色变色界别区分，通过学习单片机编程和利用现有的全色LED的灯，进行数字信号控制之下的的自由转换，实现良好的直观预警效果。在解决灯光颜色转换的问题上，我们采用了电压比较器的功能实现，对于不同的数字信号在数据处理后会产生不同的比较放大电压，由此控制全色LED灯管的颜色变化。

在控制LED灯颜色变化方面，我们尝试了很多方法，其间也失败了很多次，我们通过不断地对比分析找到了一种相对比较可行的方案，即通过“TTL门电路”结构来控制LED灯颜色变化。TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体二极管，以此来控制电路，达到预期效果。

但真正实际操作过程中，又因为其性能不太稳定，调试过于复杂，我们又开始寻找更加可行的方案。最终，我们考虑到将控制板统一使用单片机编程来制作。再深入下去，我们就搜索到了PWM和LED灯设计的相关文献。PWM有以下几个优点：1、PWM控制效率很高，对LED的工作电压，可以做到不消耗电能在限流电阻上。2、可以自动适应输入电压范围.即使输入电压低于LED的点亮电压，LED仍然正常发光。所以我们最终采用了PWM来控制LED灯的颜色变化。通过我们不断地调试和检验，最后LED灯达到了预期的效果。

四、项目创新点（或特色）

该项目的创新点在于提供了一种新的工程预警方法。

4.1、压力信号可视化，及时预警。不同于传统预警系统复杂的数据处理反馈方式，采用全色LED发光装置，将工程原位土压力的变化通过灯光颜色变换来显示并及时被现场人员所感知，真正实现了数据处理实时化及现场可视化。

4.2、模块化且具有多功能扩展接口从LCD屏显到LED灯显，再到压力传感器和显示屏，其都可以以模块化的形式连接在控制板上。并且控制板上可以接扩展槽，方便扩展其功能，例如警铃等。