CN108799078B - 一种施工工地违规操作报警装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种施工工地违规操作报警装置及其使用方法，其特征是，违规检测和精确定位机制通过测取互感器和电位器的电压来实现，测取电位器电压可以获知真空泵是否正在工作，与互感器信号结合用来判定真空泵是否违规使用。本发明违规操作检测迅速，报警信息传递及时，远程控制便捷有效并具有双重保护机制，不仅能够延长真空泵的使用寿命，更能保护建筑基坑抽水工人的生命安全，施工工地的安全秩序得到可靠保障。

Description

一种施工工地违规操作报警装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种报警装置，特别是施工工地违规操作报警装置，即电路接线违规检测和报警装置。

背景技术

建筑工地基坑周围使用真空泵抽取地下水以保证施工现场土壤干燥，方便施工。真空泵上面配备有真空度传感器，达到一定真空度时，继电器动作，常闭触点断开，真空泵停止转动，等到水位恢复后，常闭触点闭合，重新开始抽水，保证不会干抽。然而工人为了施工的方便和省事经常把控制真空泵工作的交流接触器上的工作线圈直接与220V交流电源相连，让真空泵24小时工作，真空泵很快就会损坏。

目前市场存在的施工工地违规操作报警装置结构单一功能简单，甚至有的报警装置只有检测电路过载功能，并不能反映电路的违规接线情况。当电路出现问题很难发现是何处出现问题，所以问题的排查是一大难题。此外问题的出现到项目负责人能够获知这一情况也不是及时的，存在较大的滞后性。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，为了能够精确定位电路故障，实时反馈违规操作并能够远程操纵，研制了一种施工工地违规操作报警装置及其使用方法。

本发明的技术方案如下：一种施工工地违规操作报警装置，包括若干组抽水单元，每组抽水单元包括真空度传感器、与真空度传感器相连的固态继电器、与220V交流电源相连的交流接触器、与交流接触器相连的真空泵，所述交流接触器的线圈与固态继电器输出端相连（交流接触器的线圈受固态继电器输出控制），其特征是，该报警装置还设有单片机芯片、液晶显示屏、SIM800模块、串行A/D转换器芯片，每组抽水单元还设有互感器、电位器，所述互感器套在固态继电器输出端和交流接触器线圈之间的连接线路上，所述电位器的触点和真空泵的减速器输出端相连；

所述固态继电器还与单片机芯片连接，所述串行A/D转换器芯片的输入端分别连接互感器、电位器，其输出端连接单片机芯片引脚，所述单片机芯片的引脚分别连接液晶显示屏、SIM800模块；所述单片机通过串行A/D转换器芯片采集互感器和电位器的电压值；所述单片机芯片通过分析采集的电位器前后两次电压变化是否超过阈值来判断真空泵是否工作，单片机芯片通过分析采集的互感器检测的电流来判断工人是否存在违规操作，然后单片机芯片将分析结果传送至液晶显示屏显示，同时通过SIM800模块将分析结果短信告知用户。

进一步地，所述单片机芯片为STC12C系列单片机，所述串行A/D转换器芯片为MCP3202。

进一步地，所述固态继电器、单片机芯片共用24V直流稳压电源供电，24V直流稳压电源通过24V稳压模块得到稳定的5V直流电压，然后给单片机芯片供电。

进一步地，所述真空泵设有双重保护机制，分别为硬件保护机制和软件保护机制；所述硬件保护机制为在真空泵上连接行程开关，所述软件保护机制为在真空泵驱动程序中设定真空泵的工作上下限设定值。

上述施工工地违规操作报警装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1）启动报警装置，液晶显示屏显示预留的手机号码，如果手机号码需要更改，则按下设置键，此时进入接受短信手机号码修改界面，每按一次设置键，号码中的被修改位自动加“1”，修改完成后，按单片机芯片的确认键，进行下一位数字的修改，直至整个号码全部修改完毕；

2）开机后液晶显示屏上的手机号码显示界面闪烁若干次后，会进入报警装置正常工作状态，单片机采集电位器电压和互感器电压值并显示，并发送“报警装置开始使用，系统一切正常”的提示短信至用户手机；

连续旋转电位器的触点和真空泵的减速器输出端相连，如果相隔1秒前后两次检测电位器输出电压变化超过阈值，则说明真空泵正在旋转，反之则说明真空泵处于正常停机状态（如果真空泵正在工作，安装在真空泵电机轴上的电位器就会旋转，与该电位器串联的固定电阻组成的5V分压电路输出电压就会不断改变，前后两次采样的电压值就有变化，但是由于电源电压波动等原因，即使水泵停机，电位器没有旋转，前后两次采样电压值也可能有变化，但是电源波动引起的变化不会太大，因此如果前后两次测出的电压变化超过一定阈值就认为不是电源波动，而是表明电位器正在旋转。电机额定转速时电压改变速度为0.25V/秒，设定阈值0.125V，也就是说，前后两次采样间隔1秒如果电压变化超过0.125V就说明水泵正在旋转，否则说明停机了）；

互感器套在固态继电器和交流接触器线圈之间的线路上，即继电器线圈一端的线路上，经常有工人为了让真空泵不受电接点控制而将交流接触器线圈两端直接接220V交流电源，这样一来位于回路之外的互感器中检测不到电流或电流极其微小，就能说明有人违规操作（见图2中的违规接线）；

通电后初始化程序执行完毕，报警装置正常工作后，液晶显示屏的刷新速度会变得缓慢，每2秒刷新一次，便于观察；电位器和互感器电压的采集通过串行A/D转换器芯片MCP3202实现；单片机芯片会根据电压值的变动情况，判断操作是否有违规、真空泵是否工作，并将结果短信告知用户，一旦违规操作发生或真空泵停止工作，单片机芯片会给用户发送提示短信，“有人违规接线，真空泵的具体编号为XX”

3）若违规操作行为已经发生，系统自动关闭所有剩余的真空泵，作为对违规操作者的一种惩罚,因为违规操作的目的是想让真空泵不受限位开关控制,永不停歇抽水, 似乎可以免受传感器打扰，实际上缩短了水泵寿命；违规后系统自动关闭其它所有水泵（继电器线圈被直接连接到220V电源的这一台无法关闭）,结果反而影响正常工作；

实现方法是单片机控制固态继电器关闭所有水泵，或者由不在现场的工地负责人根据手机收到的违规报警信息，编辑预设格式的关闭所有水泵的指令发送到SIM800模块，单片机芯片便会读取执行；

待工人将电路改正错误，检测信号正常之后，用户会收到短信，提示真空泵控制系统恢复正常，此时单片机控制重新启动水泵，也可由用户发送指令，整个电路系统恢复正常运行；

进一步地，所述真空泵还设有双重保护机制，分别是硬件保护机制和软件保护机制；硬件保护机制中，行程开关会在运行到极限位置触发，这时真空泵只能往相反的方向工作（该真空泵可以正反转，正转到达限位开关后必须反转，反转到达反向限位开关后必须正转，行程开关就是限位开关）；

软件保护机制设置在触碰行程开关之前，在真空泵的驱动程序中设置真空泵的工作上下限，真空泵运行到软件设定的上下限，程序控制真空泵停止工作，然后程序控制真空泵反转。

进一步地，所述软件设置上下限的步骤如下：按下单片机芯片的确认键，系统进入工作限设定模式，液晶显示屏循环显示各个真空泵的编号，选中相应的真空泵编号，在显示对应编号时长按确认键则选中，然后按增加或减少键，上下限可以通过增加键和减少键调整。

建筑基坑抽水工人盲目追求施工的便利和效率，经常将交流接触器线圈直接与电源短接不受电接点压力开关控制（为了让真空泵不受继电器控制而将交流接触器线圈与220V电源直接相连）。本报警装置能够迅速检测出此等违规操作行为并精确定位到具体的真空泵编号；违规操作一经发现，系统会迅速将现场实况报告给项目负责人；当负责人接收到违规报告，可以通过远程操作控制现场真空泵的启动和停止；为了延长真空泵的使用寿命，该装置提供了双重保护机制，分别为硬件保护机制行程开关和软件保护机制真空泵工作限的设定，最后一道安全保护方式为硬件方式。

本发明中的违规检测和精确定位机制通过测取互感器和电位器的电压来实现，测取电位器电压可以获知真空泵是否正在工作，与互感器信号结合用来判定真空泵是否违规使用。单片机芯片将现场实况报告给项目负责人（用户）主要通过SIM800模块实现，并通过串口发送数据给SIM800模块，再由模块发出具体提示信息。用户可以通过远程操作控制现场真空泵的启动和停止，基于SIM800模块的接收功能实现，用户编辑指令发送到SIM800模块，单片机自动读取指令内容并执行相关动作。

本发明最大的特点是配合互感器的使用获取电路关键点处的电压，电压精度可达0.005V。单片机会根据电路实时电压的变动判断真空泵的工作情况来控制电路中开关的通断，并通过SIM800模块发送短信提醒负责人施工工地现状。负责人拥有电路通断的最高权限，即使远在外地也可以通过短信指令启动或者停止真空泵的工作。

本发明使得施工工地的违规操作更容易被捕捉，只要存在违规操作行为，负责人将在第一时间被短信告知。单片机中的最高权限也赋予给负责人，可以根据实时状况决定是否强行干预真空泵的工作，减少工地上大型真空泵的损伤，尽可能的减少损失，最重要的是保护现场工人的人身安全，使得工地上的工作有序进行，无论是从经济还是安全的角度来看都是大有裨益的。

本发明的优点是违规操作检测迅速，报警信息传递及时，远程控制便捷有效并具有双重保护机制，不仅能够延长真空泵的使用寿命，更能保护建筑基坑抽水工人的生命安全，施工工地的安全秩序得到可靠保障。

附图说明

图1为本发明的工作原理简图；

图2 为违规操作检测电路原理图；

图3 为工作状态检测电路原理图；

图4 为按键识别检测电路原理图；

图5 为液晶显示模块连接电路原理图；

图6 为通信模块连接电路原理图。

具体实施方式

本发明的施工工地违规操作报警装置是一个电路状态检测和报警系统，该系统具有双向通道，即它可以反馈施工工地现场的运作情况也可以让项目负责人远程控制真空泵电路的通断。该系统的主要元件有STC12C系列单片机、SIM800模块、液晶显示屏、互感器、MP3202芯片、24V稳压模块以及固态继电器等。

如图1所示：报警装置工作原理简图概要的描述了该系统的工作流程及各个主要元件和模块之间的联系。中央处理器选用的是STC12C系列单片机，是整个报警装置的中央控制台。串行A/D转换器芯片MCP3202用来采集互感器和电位器的电压，并读到单片机中进行判断。单片机根据电位器前后两次测量电压值的差值来判断真空泵电路所处的状态，并通过SIM800模块发送短信到手机终端，手机终端亦可以通过发送指令到模块来控制真空泵电路的工作模式。

如图2所示：该图说明了本发明所述的报警装置的检测违规行为的机理，互感器套在继电器输出端和线圈之间的导线上，套在继电器线圈一端的线路上。电位器间隔1秒采集的电压值变化超过阈值说明真空泵正在旋转，如果真空泵旋转而互感器没有检测到电流，则说明违规操作发生，立即报警。

如图3所示：该图说明的是真空泵工作状态检测的原理，电位器的触点和真空泵的减速器输出端相连，如果前后两次检测电位器输出电压变化超过阈值则说明真空泵正在工作，反之电位器上电压不变，互感器中电流为零则说明真空泵处于正常停机状态。

如图4所示：按键识别检测电路原理图描述了单片机判断按键的方法。为节省口线，仅用了4个按键，配合液晶显示界面能够实现所需的设定功能。

如图5所示：该图表示的是液晶显示屏和单片机的连线方法，液晶显示屏主要用来显示开机画面的手机号码和进入到正常工作状态时的采集到的各电位器和互感器的参数，以及在进入设置模式后显示设定参数。

如图6所示：此图表征的是SIM800模块和单片机之间的关系，该模块只需要单片机的两个引脚分别为RXD和TXD，另外两个引脚接入电源的VCC和GND即可。该模块用于单片机发送提示短信，用户亦可以通过该模块实现远程控制功能。

本发明的施工工地违规操作报警装置，其使用方法如下：

1）报警装置接通电源后启动，初始化程序执行完毕，液晶屏幕显示系统预留的两个手机号码。如果不需要修改号码只需要等待数秒，如果号码需要更改则随时按下单片机芯片的设置键，此时进入号码修改界面。每按一次设置键，号码中被修改数字自动加“1”，修改完成后，按单片机芯片的确认键，进行下一位数字的修改，直至整个号码全部修改完毕；

2）液晶屏幕在号码显示界面快速闪烁十次后，会进入正常工作界面——电位器电压和互感器电压显示界面，这时报警装置正常工作，并发送报警装置开始使用的提示短信至用户手机；真空泵的减速器输出轴带动连续旋转电位器的触点连续运动，如果间隔1秒检测电位器输出电压变化超过阈值则说明真空泵正在旋转，反之则说明真空泵处于正常停机状态。互感器套在固态继电器和交流接触器线圈之间的线路上，如果工人为了贪图工作便利让真空泵不受继电器控制而将交流接触器线圈直接连接到220V交流电源，则互感器中不会产生电流或电流极其微小，则说明工人操作违规；见图2中的违规接线。

3）步骤2）的显示界面在闪烁十次之后，报警装置进行正常工作，屏幕的刷新速度会变得缓慢便于观察。电位器和互感器电压的采集通过串行A/D转换器芯片MCP3202实现，然后通过数据线传输到单片机上。单片机会根据电压值的变动情况判断是否有违规接线，如果没有发现违规行为，单片机通过SIM800模块发送系统一切正常短信给项目负责人。一旦违规操作发生，单片机芯片会给用户发送提示短信，告知存在违规操作的真空泵的具体编号；

4）若违规操作行为已经发生，系统自动关闭其它所有的真空泵，作为对违规操作者的一种惩罚,因为违规操作的目的是想让真空泵不受限位开关控制,永不停歇抽水,违规后系统自动关闭所有水泵,结果反而影响正常工作。实现方法是单片机控制固态继电器关闭所有水泵。也可以由不在现场的工地负责人根据手机收到的违规报警信息，编辑预设格式的关闭所有水泵的指令发送到SIM800模块，单片机芯片便会读取执行；待工人将电路改正错误，一切恢复正常之后，用户会收到短信，提示系统恢复正常，此时单片机控制下重新启动水泵，也可由用户发送指令，整个电路系统恢复正常运行；

5）真空泵的损坏不只是受到违规操作的影响，还有其他因素例如其工作到极限位置后依然继续转动，这时双重保护机制便可发挥作用。行程开关会在运行到极限位置触发，这时候真空泵只能往相反的方向工作。为了延长行程开关使用寿命以及提高系统可靠性，特增加了软件保护即在到达行程开关之前，真空泵运行到设定的工作上下限，程序控制真空泵停止工作，然后程序控制真空泵反转。软件设置上下限的步骤如下：按下确认键，系统进入工作限设定模式。屏幕循环显示各个真空泵的编号，需要设置几号真空泵上下限，在显示对应编号时长按确认键则选中。同理，依次设定该真空泵的上下限，上下限可以通过增加和减少键调整。

该报警装置单片机部分需要5V电源，固态继电器需要24V电压驱动，所以使用24V直流稳压电源再通过24V稳压模块得到稳定的5V直流电压。

报警装置的检测流程的第一步是检测真空泵是否正在工作，该系统通过采集与真空泵减速器输出端所连接的电位器前后两次电压变化是否超过阈值来判断真空泵工作状态。电压的采集使用串行A/D转换器芯片MCP3202实现，待电压采集完成之后通过数据线传输到单片机中。第二步检测工人是否将交流接触器线圈的控制开关短接，如果第一步检测出真空泵在工作，而继电器和线圈之间导线上串套着的互感器检测不到电流通过或极其微小，则说明工人违规操作。

项目负责人拥有电路通断的远程控制权限，预留号码的机主可以发送指令短信到SIM800模块，单片机会读取模块中的指令并执行相关动作。当施工工地现场出现违规操作行为，项目负责人可以发送指令切断整条线路的电源并责令工人整改，待单片机通过SIM800模块发送“恢复正常”提示短信后，负责人可以通过手机发送“重新启动报警装置”的指令，使得切断电路恢复正常并时刻监管施工工地的现场状况。

双重保护机制可以极大降低只有一重保护的潜在风险，保护了工地固有资产和抽水工人的人身安全。集成以上优点的施工工地违规操作报警装置显然优于市场上其他类似的报警装置。

Claims (7)

1.一种施工工地违规操作报警装置，包括若干组抽水单元，每组抽水单元包括真空度传感器、与真空度传感器相连的固态继电器、与220V交流电源相连的交流接触器、与交流接触器相连的真空泵，所述交流接触器的线圈受固态继电器输出控制，其特征是，该报警装置还设有单片机芯片、液晶显示屏、SIM800模块、串行A/D转换器芯片，每组抽水单元还设有互感器、电位器，所述互感器套在固态继电器输出端和交流接触器线圈之间的连接线路上，所述电位器的触点和真空泵的减速器输出端相连；

所述固态继电器还与单片机芯片连接，所述串行A/D转换器芯片的输入端分别连接互感器、电位器，所述串行A/D转换器芯片的输出端连接单片机芯片引脚，所述单片机芯片的引脚分别连接液晶显示屏、SIM800模块；所述单片机芯片通过串行A/D转换器芯片采集互感器和电位器的电压值；所述单片机芯片通过分析采集的电位器前后两次电压变化是否超过阈值来判断真空泵是否工作，单片机芯片通过分析采集的互感器检测的电流来判断工人是否存在违规操作，然后单片机芯片将分析结果传送至液晶显示屏显示，同时通过SIM800模块将分析结果短信告知用户。

2.根据权利要求1所述的一种施工工地违规操作报警装置，其特征是，所述单片机芯片为STC12C系列单片机，所述串行A/D转换器芯片为MCP3202。

3.根据权利要求1所述的一种施工工地违规操作报警装置，其特征是，所述固态继电器、单片机芯片共用24V直流稳压电源供电，24V直流稳压电源通过24V稳压模块得到稳定的5V直流电压，然后给单片机芯片供电。

4.根据权利要求1所述的一种施工工地违规操作报警装置，其特征是，所述真空泵设有双重保护机制，分别为硬件保护机制和软件保护机制；所述硬件保护机制为在真空泵上连接行程开关，所述软件保护机制为在真空泵驱动程序中设定真空泵的工作上下限设定值。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的施工工地违规操作报警装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1)启动报警装置，液晶显示屏显示预留的手机号码，如果手机号码需要更改，则按下单片机芯片的设置键，此时进入手机号码修改界面，每按一次设置键，手机号码中的被修改数字自动加“1”，修改完成后，按单片机芯片的确认键，进行下一位数字的修改，直至整个手机号码全部修改完毕；

2)液晶显示屏在手机号码显示界面闪烁若干次后，会进入报警装置正常工作状态，单片机芯片采集电位器电压和互感器电压值并显示，并发送报警装置开始使用的提示短信至用户手机；

电位器的触点和真空泵的减速器输出端相连，如果前后两次检测电位器输出电压变化超过阈值，则说明真空泵正在工作，反之则说明真空泵处于正常停止状态；互感器套在固态继电器和交流接触器线圈之间的线路上，经常有工人为了让真空泵不受限位开关控制而将交流接触器线圈两端直接接220V交流电源，这样一来位于回路之外的互感器中检测不到电流或电流极其微小，就能说明有人违规操作；

初始化程序执行完毕，报警装置正常工作后，液晶显示屏的刷新速度会变得缓慢，便于观察；电位器和互感器电压的采集通过串行A/D转换器芯片实现；单片机芯片会根据电压值的变动情况，判断操作是否有违规、真空泵是否工作，并将结果短信告知用户，一旦违规操作发生，单片机芯片会给用户发送提示短信，告知存在违规操作的真空泵的具体编号；

3)若违规操作行为已经发生，系统自动关闭所有的其它真空泵，作为对违规操作工的一种惩罚,因为违规操作的目的是想让真空泵不受限位开关控制,永不停歇抽水,违规操作后系统自动关闭所有其它真空泵,结果反而影响正常工作；

实现方法是单片机芯片控制固态继电器关闭所有真空泵，或者由不在现场的工地负责人根据手机收到的违规报警信息，编辑预设格式的关闭所有真空泵的指令发送到SIM800模块，单片机芯片便会读取执行；

待工人将电路整改完毕，一切恢复正常之后，用户会收到短信，提示真空泵恢复正常，此时单片机芯片控制重新启动真空泵，也可由用户发送指令，整个电路系统恢复正常运行。

6.根据权利要求5所述的施工工地违规操作报警装置的使用方法，其特征是，所述真空泵还设有双重保护机制，分别是硬件保护机制和软件保护机制；

所述硬件保护机制中，行程开关会在运行到极限位置触发，这时真空泵只能往相反的方向工作；

所述软件保护机制设置在行程开关触发之前，在真空泵的驱动程序中设置真空泵的工作上下限，真空泵运行到软件设定的上下限，程序控制真空泵停止工作，然后程序控制真空泵反转。

7.根据权利要求6所述的施工工地违规操作报警装置的使用方法，其特征是，所述软件保护机制中设置上下限的步骤如下：按下单片机芯片的确认键，系统进入工作限设定模式，液晶显示屏循环显示各个真空泵的编号，选中相应的真空泵编号，在显示对应编号时长按确认键则选中，然后按增加或减少键，上下限可以通过增加键和减少键调整。