一种桥梁伸缩缝故障监测装置及控制方法

1.本发明涉及一种桥梁故障监测装置，特别是一种桥梁伸缩缝故障监测装置，属于桥梁自动监测技术领域。


背景技术：

[0002][0003]
保障桥梁安全，必须深入开展桥梁安全隐患的排查和治理；强化桥梁的养护管理责任，做到及时消除桥梁的病险病害；加大治理超限超载的力度；需要通过各种手段监测桥梁的健康状况。
[0004]
按照规范的要求，桥梁每1~3 年要进行一次定期检查。每个月要进行一次经常检查。在桥梁遭遇地震、台风等特殊灾害时，还要进行特殊检查。而目前的实际情况存在以下几个问题：一是多数桥梁检测方非常传统，如人工目测、事后检测或定期巡检；二是存在实时性差、单时间点数据无法追溯、不能定量、没有突发报警；三是在线式实时监测系统大多施工复杂，需要布设供电网络、网线、光纤等等。而最新的远程桥梁监测还是针对重点桥梁的，投资巨大，成本高昂，并且还没有对伸缩缝进行检测的。那些数量巨大的，在庞大道路交通体系中承担重任的中小桥梁，更是无法被有效的监测管理。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提出一种桥梁伸缩缝故障监测装置，收集桥梁伸缩缝传感器检测到的数据，对故障进行实时告警，并且为桥梁监测工作提供必要的数据资料，以便于相关部门对有问题的伸缩缝及时维护，并做出正确的决策，提出科学的方针策略。
[0006]
本发明是这样实现的：一种桥梁伸缩缝故障监测装置，包括：稳压电源单元（1）、控制单元（2）、伸缩缝传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电压取样单元（5）、告警与指示单元（6）、通信单元（7）；其中：稳压电源单元（1）为本装置提供稳定的工作电压，与本装置的各电气单元构成电气连接；控制单元（2）根据检测到的伸缩缝传感单元的信号及电压取样单元的信号进行判断，当检测到异常时发出告警与指示信号；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）、电压取样单元（5）、告警与指示单元（6）、通信单元（7）构成电气连接；伸缩缝传感单元（3）用于获取桥梁伸缩缝传感器的状态信息；与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）构成电气连接；信号隔离单元（4）将桥梁伸缩缝传感器的信号进行隔离，防止电磁干扰信号损坏控制单元；与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、伸缩缝传感单元（3）构成电气连接；电压取样单元（5）用于控制单元获取 5v电源电压的值，以便判断工作电压是否正常，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；告警与指示单元（6）用于对工作状态进行指示，当控制单元（2）检测到异常时发出
声光告警，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；通信单元（7）用于与上位机通信，以便通过上位机监控桥梁伸缩缝的状况，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接。
[0007]
本发明的优点及效果：(1)能够实时监测桥梁伸缩缝的状态数据；(2)当监测到伸缩缝出现故障时，发出声光告警提示信号，并且通过通信单元自动发出告警信息；(3)具有电压检测功能，以便远程监测电压是否正常；(4)对桥梁伸缩缝传感器信号进行了电气隔离，增强了抗干扰能力，提高了装置的可靠性；(5)本装置的成本低、可靠性高，易于使用。
附图说明
[0008]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0009]
图1是本发明的电气原理方框图。
[0010]
图2是实施例的稳压电源单元连接的电路原理图。
[0011]
图3是实施例的控制单元、电压取样单元、告警与指示单元连接的电路原理图。
[0012]
图4是实施例的信号隔离单元电路原理图。
[0013]
图5是实施例的伸缩缝传感单元电路原理图。
[0014]
图6是实施例的通信单元电路原理图。
[0015]
图7是本发明的单片机主程序控制流程图。
具体实施方式
[0016]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0017]
请参看图1，一种桥梁伸缩缝故障监测装置，包括稳压电源单元（1）、控制单元（2）、伸缩缝传感单元（3）、信号隔离单元（4）、电压取样单元（5）、告警与指示单元（6）、通信单元（7）；其中稳压电源单元（1）为本装置提供稳定的工作电压，与本装置的各电气单元构成电气连接；控制单元（2）根据检测到的伸缩缝传感单元的信号及电压取样单元的信号进行判断，当检测到异常时发出告警与指示信号，与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）、电压取样单元（5）、告警与指示单元（6）、通信单元（7）构成电气连接；伸缩缝传感单元（3）用于获取桥梁伸缩缝传感器的状态信息，与稳压电源单元（1）、信号隔离单元（4）构成电气连接；信号隔离单元（4）将桥梁伸缩缝传感器的信号进行隔离，防止电磁干扰信号损坏控制单元，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）、伸缩缝传感单元（3）构成电气连接；电压取样单元（5）用于控制单元获取 5v电源电压的值，以便判断工作电压是否正常，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；告警与指示单元（6）用于对工作状态进行指示，当控制单元（2）检测到异常时发出声光告警，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构成电气连接；通信单元（7）用于与上位机通信，以便通过上位机监控桥梁伸缩缝的状况，与稳压电源单元（1）、控制单元（2）构
成电气连接。
[0018]
请参看图2，稳压电源单元由通用的ac/dc电源适配器ps1将220v交流市电转换为12v直流电，为装置提供的 12v电压，经稳压集成电路u1输出 5v电压，为装置提供 5v电压，再经稳压集成电路u2输出3.3v电压，作为装置使用的vdd电源；包括插座cz1～cz3、ac/dc电源ps1、稳压集成电路u1、稳压集成电路u2、电容c1、c2、c3。插座cz1是交流电源输入插座，插座cz2为信号隔离单元提供 5v电压和vdd电压，插座cz3为桥梁伸缩缝传感器提供 12v电压；u1的型号为lm7805，u2的型号为ld1117s33c。
[0019]
请参看图3，控制单元包括插座cz4～cz7、高速高性能单片机u3、电阻r1～r4、电容c4～c6、稳压二极管d1。
[0020]
高速高性能单片机u3的型号为c8051f310，其内部集成有振荡器、在系统可编程的flash存储器、c2接口调试电路、温度传感器、多达21路的模数转换电路（adc）、四个通用16位定时器/计数器、硬件smbus（i2c兼容）、uart串口、pca模块等，它是本装置的核心控制器件。
[0021]
单片机根据检测到的伸缩缝传感单元的信号及电压取样单元的信号进行判断，判断桥梁伸缩缝是否正常，当检测到异常时发出告警与指示信号。
[0022]
单片机通过电压取样单元 5v电压进行检测，以确定电源是否正常，当检测到异常时发出告警与指示信号。
[0023]
控制单元通过通信单元（7）与运行相应监控软件的上位机进行通信，以便通过计算机方便地查看相关的状态或配置相关的参数。
[0024]
插座cz4是单片机的编程接口，进行仿真、编程操作时，单片机通过此接口与c8051f单片机编程器或仿真器相连，以便对单片机进行编程、调试和软件下载。
[0025]
通过电阻r1、稳压二极管d1、电容c5为单片机内部的adc电路提供vref基准电压信号；通过电阻r2、电容c4为单片机提供上电复位信号；通过电阻r4将数字地与模拟地连接起来，避免数字地对模拟信号产生干扰。
[0026]
插座cz5用于连接通信模块，插座cz6、cz7用于连接传感器的信号。
[0027]
控制单元的连接关系是：cz4的引脚1接至电源vdd，引脚2与单片机u3的引脚6连接，引脚3连接至复位信号rst端，并与电阻r3串联后接至单片机u3的第5引脚，cz4的引脚4直接与单片机u3的引脚5相连接，cz4的引脚5接至gnd；电阻r2的一端连接至电源vdd，另一端连接到复位信号rst；稳压二极管d1与电容c5并联，一端连接到电阻r1和单片机u3的引脚2，另一端接模拟地；电阻r1的另一端接vdd；电容c4一端连接到复位信号rst，另一端连接到gnd；电容c6一端连接到vdd，另一端连接到gnd；单片机u3的引脚3接至gnd，引脚4连接至电源vdd；插座cz5的引脚1接至电源vdd，引脚2与单片机u3的引脚29连接，引脚3连接至单片机u3的第30引脚，引脚4接gnd；插座cz6的引脚1与单片机u3的引脚24连接，引脚2连接至单片机u3的第23引脚，引脚3连接至单片机u3的第22引脚，引脚4连接至单片机u3的第21引脚；插座cz7的引脚1与单片机u3的引脚20连接，引脚2连接至单片机u3的第19引脚，引脚3连接至单片机u3的第18引脚，引脚4连接至单片机u3的第17引脚；电阻r4的一端连接到数字地，另一端连接到模拟地。
[0028]
电压取样单元包括电阻r5、r6、电容c7，用于对 5v电压分压取样； 5v电压经电阻r5、r6分压后连接到单片机u3的第25引脚，由单片机通过内部的adc模块进行模数转换，计算 5v电压的值。
[0029]
连接关系是：电阻r5的一端连接到 5v，另一端连接到电阻r6的一端和单片机u3的引脚25，作为 5v电压采样的av1信号，电阻r6的另一端连接到模拟地，电容c7与电阻r6并联连接；av1信号通过单片机内部的adc电路转换为数字量，以便进行运算，同时根据设定的参数确定是否应给出相应的控制、保护信号。
[0030]
告警与指示单元包括电阻r7～r17、电容c8、发光二极管d2～d10、三极管v1、蜂鸣器fm1、开关s1；发光二极管d2～d9分别指示8路桥梁伸缩缝传感器的状态，当某路传感器检测到故障时，点亮相应的led；发光二极管d10用于指示异常情况，声音提示或告警信号从单片机的引脚16输出，经三极管v1驱动蜂鸣器fm1发声。当 5v电源过电压、欠电压、芯片温度高、有传感器故障时，蜂鸣器发出连续提示或告警音，通过开关s1可以允许或禁止蜂鸣器发出声音。
[0031]
请参看图4，信号隔离单元包括插座cz8～cz12、电阻r21～r36、电容c11～c18、光电耦合器u4～u11；连接关系是：插座cz8与插座cz2的对应电气端子相连接，插座cz9与插座cz6的对应电气端子相连接，插座cz11与插座cz7的对应电气端子相连接；电阻r22的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u4二极管的阳极；光电耦合器u4的二极管阴极连接到插座cz10的第1引脚，光电耦合器u4的发射极连接到gnd；电阻r21的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u4的集电极；电容c11的一端连接到光电耦合器u4的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u4的集电极还连接到插座cz9的第1引脚，并通过插座cz6第1引脚连接到单片机u3的第24引脚；电阻r24的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u5二极管的阳极；光电耦合器u5的二极管阴极连接到插座cz10的第3引脚，光电耦合器u5的发射极连接到gnd；电阻r23的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u5的集电极；电容c12的一端连接到光电耦合器u5的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u5的集电极还连接到插座cz9的第2引脚，并通过插座cz6第2引脚连接到单片机u3的第23引脚；电阻r26的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u6二极管的阳极；光电耦合器u6的二极管阴极连接到插座cz10的第5引脚，光电耦合器u6的发射极连接到gnd；电阻r25的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u6的集电极；电容c13的一端连接到光电耦合器u6的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u6的集电极还连接到插座cz9的第3引脚，并通过插座cz6第3引脚连接到单片机u3的第22引脚；电阻r28的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u7二极管的阳极；光电耦合器u7的二极管阴极连接到插座cz10的第7引脚，光电耦合器u7的发射极连接到gnd；电阻r27的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u7的集电极；电容c14的一端连接到光电耦合器u7的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u7的集电极还连接到插座cz9的第4引脚，并通过插座cz6第4引脚连接到单片机u3的第21引脚；电阻r30的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u8二极管的阳极；光电耦合
器u8的二极管阴极连接到插座cz12的第1引脚，光电耦合器u8的发射极连接到gnd；电阻r29的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u8的集电极；电容c15的一端连接到光电耦合器u8的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u8的集电极还连接到插座cz11的第1引脚，并通过插座cz7第1引脚连接到单片机u3的第20引脚；电阻r32的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u9二极管的阳极；光电耦合器u9的二极管阴极连接到插座cz12的第3引脚，光电耦合器u9的发射极连接到gnd；电阻r31的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u9的集电极；电容c16的一端连接到光电耦合器u9的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u9的集电极还连接到插座cz11的第2引脚，并通过插座cz7第2引脚连接到单片机u3的第19引脚；电阻r34的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u10二极管的阳极；光电耦合器u10的二极管阴极连接到插座cz12的第5引脚，光电耦合器u10的发射极连接到gnd；电阻r33的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u10的集电极；电容c17的一端连接到光电耦合器u10的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u10的集电极还连接到插座cz11的第3引脚，并通过插座cz7第3引脚连接到单片机u3的第18引脚；电阻r36的一端连接到 5v，另一端连接到光电耦合器u11二极管的阳极；光电耦合器u11的二极管阴极连接到插座cz12的第7引脚，光电耦合器u11的发射极连接到gnd；电阻r35的一端连接到vdd，另一端连接到光电耦合器u11的集电极；电容c18的一端连接到光电耦合器u11的集电极，另一端连接到gnd；光电耦合器u11的集电极还连接到插座cz11的第4引脚，并通过插座cz7第4引脚连接到单片机u3的第17引脚。
[0032]
请参看图5，伸缩缝传感单元包括插座cz13～cz15、8路桥梁伸缩缝传感器sen1～sen8；sen1～sen8的型号是e3f-5dn；连接关系是：插座cz13与插座cz3的对应电气端子相连接，插座cz14与插座cz10的对应电气端子相连接，插座cz15与插座cz12的对应电气端子相连接；传感器sen1的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz14第2引脚，第4引脚连接到插座cz14第1引脚；传感器sen2的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz14第4引脚，第4引脚连接到插座cz14第3引脚；传感器sen3的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz14第6引脚，第4引脚连接到插座cz14第5引脚；传感器sen4的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz14第8引脚，第4引脚连接到插座cz14第7引脚；传感器sen5的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz15第2引脚，第4引脚连接到插座cz15第1引脚；传感器sen6的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz15第4引脚，第4引脚连接到插座cz15第3引脚；传感器sen7的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz15第6引脚，第4引脚连接到插座cz15第5引脚；传感器sen8的第1引脚连接到 12v，第2引脚连接到gnd，第3引脚连接到插座cz15第8引脚，第4引脚连接到插座cz15第7引脚。
[0033]
请参看图6，通信单元包括插座cz16、无线通信模块m1；插座cz16在外部与图3中的插座cz5对应的电气端子用导线连接。无线通信模块m1的型号为hc-12，m1的vcc、gnd、rxd、txd端分别连接到插座cz16的第1、4、3、2引脚。通过通信模块单元，可以与计算机进行无线通信，以便上位机方便地监控本装置的状态或进行参数配置。
[0034]
图2～图6中，各电路连接原理图中相同的电气网络编号或端口是相连的。
[0035]
请进一步参看图7，一种桥梁伸缩缝故障监测装置的单片机程序的控制方法是：单片机上电后，程序开始启动，主程序按以下步骤循环运行：步骤s1：初始化，包括各io口、定时器及串口模块，设置通信发送及接收缓冲区；步骤s2：根据 5v电压的采样信号，进行adc模数转换为 5v电压数据；步骤s3：判断 5v工作电压是否正常，若正常则进入步骤s4；若不正常，则输出电压故障告警信号，并且通过串口主动向上位机发送电压故障信息，然后进入步骤s4；步骤s4：读取传感器的输入数据，然后进入步骤s5；步骤s5：判断传感器的输入数据是否正常，若正常则进入步骤s6；若不正常，则输出传感器故障告警信号，并且通过串口主动向上位机发送传感器故障信息，然后进入步骤s6；步骤s6：更新传感器状态指示，然后进入步骤s7；步骤s7：检查是否接收到上位机的通信命令数据，如果接收到上位机的通信数据，进入步骤s8，如果没有接收到上位机命令数据，则进入步骤s2继续循环运行；步骤s8：处理上位机命令，向上位机输出信息，然后进入步骤s2继续循环运行。