建筑物结构力学光电演示系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种建筑物结构力学光电演示系统，能够以直观方式演示建筑物结构力学知识点，直观展示建筑物基本受力情况、受力变形情况，实现理论与实际相结合的教学模式。包括建筑物结构框架，还包括光电演示系统和与光电演示系统连接的控制系统。光电演示系统包括设置在建筑物结构框架上的多个演示灯和演示灯带。控制系统包括控制主机，控制主机包括：通过电路板连接的单片机，还包括与光电演示系统各演示灯、灯带对应的多个继电器，单片机与多个继电器连接，多个演示灯和演示灯带分别经继电器与外部电源连接。还包括远程操作系统。
【专利说明】建筑物结构力学光电演示系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及教学实训系统，具体涉及一种建筑物结构力学光电演示系统。
【背景技术】
[0002] 高校建筑专业教学中涉及建筑物结构力学课程，教学内容主要有：建筑物的不同 部位基本受力情况，例如建筑物的柱、梁、屋顶、地面等部位受力情况；建筑物受到各种力 时，力的传递路径和变形情况；具体而言涉及到：梁的集中荷载、梁的均布荷载、悬挑梁集 中荷载、悬挑梁均布荷载、柱的轴心受压、柱的小偏心受压、框架结构体系传力、建筑物水平 力应力情况等。
[0003] 现有教学条件下，上述课程或教学内容均通过教师集中讲解，教学内容抽象，与实 际建筑物联系不紧密，教学不够直观，理论与实际脱离，影响学生理解和掌握知识点。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种建筑物结构力学光电演示系统，能够以 直观方式演示建筑物结构力学知识点，直观展示建筑物基本受力情况、受力变形情况，实现 理论与实际相结合的教学模式。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的建筑物结构力学光电演示系统，包括建筑物结构 框架，所述建筑物结构框架包括设置在地面上的基础、设置在基础之上的至少四根立柱，相 邻立柱之上设置有横梁、横梁之上通过立柱设置有屋顶，还包括光电演示系统和与光电演 示系统连接的控制系统。
[0006] 所述的光电演示系统包括设置在建筑物结构框架上的多个演示灯和演示灯带。
[0007] 所述控制系统包括控制主机，所述控制主机包括：通过电路板连接的单片机，还包 括与光电演示系统各演示灯、灯带对应的多个继电器，所述单片机与所述多个继电器连接， 所述的多个演示灯和演示灯带分别经继电器与外部电源连接。
[0008] 所述的光电演示系统包括以下子系统中的至少一个：A、沿基础布置有多个基础荷 载演示灯；B、在立柱内自上而下设置的多组建筑内力荷载演示灯；C、设置在立柱内的至少 一条立柱小偏心受压演示灯带；D、设置在所述的横梁之上的多个横梁均布荷载演示灯、设 置在横梁之上的横梁集中荷载演示灯；E、所述的横梁内沿其走向设置的横梁一级荷载变形 曲线演示灯和至少一条横梁二级荷载变形曲线演示灯；F、设置在所述立柱与横梁结合部位 的弯矩受力演示灯；G、沿屋顶其走向设置的多个屋顶荷载演示灯。
[0009] 还包括设置在所述建筑物结构框架上的悬挑梁，至少一个悬挑梁上方沿其走向设 置有多个悬挑梁均布荷载演示灯，所述悬挑梁上方还设置有悬挑梁集中荷载演示灯，悬挑 梁上还设置有悬挑梁一级载荷变形演示灯，悬挑梁一级载荷变形演示灯下方设置有悬挑梁 二级载荷变形演示灯；所述水平外力受力演示模块还包括设置在建筑物结构框架一侧的多 个水平外力演示灯，在水平外力演示灯对侧的建筑物结构框架内设置有多个水平反力演示 灯。
[0010] 还包括远程操作系统，所述远程操作系统包括至少一个终端，所述终端与控制主 机之间以有线或无线方式通信。
[0011] 所述的单片机为C8051F060型单片机。
[0012] 所述的电路板上还设置有程序烧录及复位电路。
[0013] 所述终端与控制主机之间以无线方式通信；所述的电路板上设置有电源电路、MCU 接口电路、继电器控制电路，所述单片机经MCU接口电路连接至电路板，所述继电器经继电 器控制电路连接至电路板，所述的电路板上还设置有无线通信模块。
[0014] 所述的终端采用HT368型手持型终端设备，所述的终端与控制主机之间采用 ZigBee协议无线通信。
[0015] 所述的终端和控制主机内分别设置有UTC-1212RD无线通信模块。
[0016] 本发明的建筑物结构力学光电演不系统，其技术特点有： 1、控制主机通过多个继电器控制各演示灯、灯带通电或断电，以光学模式直观展示基 础、立柱、横梁、屋顶等部位的基本受力情况，教师可以通过终端对控制主机进行操作，控制 不同演示灯的明灭，从而根据各知识点进行直观教学，实现理论与实际相结合的教学模式。
[0017] 2、可直观展示建筑物在自重、外力等影响的受力变形情况。
[0018] 3、上述技术方案中，单片机可以实现编程，从而控制若干个演示灯依次明灭，还可 控制演示灯工作时间间隔，从而演示某个节点的受力传递情况。
[0019] 4、教学过程中，师生可以根据教学点设置走动到模型的不同部位，并通过手持式 移动设备与控制主机之间移动通信，通过手持式移动设备对光电演示系统进行远程控制， 师生接近建筑物近距离授课。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的建筑物结构力学光电演示系统的原理图； 图2a是本发明的建筑物结构力学光电演示系统的控制系统电路板设计图； 图2b是电源电路原理图； 图2c是MCU烧录及复位电路原理图； 图2d是控制主机的MCU接口电路图； 图2e是无线通信模块UTC-1212RD的引脚分布图； 图2f是无线通信模块UTC-1212RD与MCU的连接示意图； 图2g是继电器控制原理图； 图2h是继电器控制电路板示意图； 图3是本发明中建筑物结构框架部分的示意图(建筑结构北立面图）； 图4是图3的左视图(建筑结构东立面图）； 图5是图3的①-①线剖视图(建筑结构的①轴立面图）； 图6是图3的②-②线剖视图(建筑结构的②轴立面图）； 图7是图3的③-③线剖视图(建筑结构的③轴立面图）； 图8是图3的④-④线剖视图(建筑结构的④轴立面图）； 图9是图3的⑤-⑤线剖视图(建筑结构的⑤轴立面图）； 图10是本发明中建筑物结构框架部分的立体示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0022] 如图1所示，手持终端将指令数据经无线发送模块发送(传输距离20(Γ300米)。无 线接收模块接收后传给单片机模块，单片机根据编好的程序发出不同的指令，来控制相应 的电子开关组(继电器）闭合，从而控制灯箱按照需要逐次亮灭。
[0023] 为了满足教学需要，本发明中，按照1:1比例建立一座全框架钢筋骨架结构的建 筑物模型，并严格按照建筑规范要求和101图集要求施工，展示建筑物内在结构特点；该建 筑物模型内还可安装消防系统、水电系统、应急照明系统、门禁系统、通风空调系统、智能建 筑系统、监控系统等。
[0024] 如图3至图10可见，所述建筑物结构框架模拟一座二层小楼，其包括设置在地面 上的基础1，具体包括独立基础、条形基础、筏形基础及桩基承台，基础1之上设置有若干立 柱2,相邻立柱2之上设置有横梁3,横梁3之上通过立柱2设置有屋顶4,建筑物结构框架 上还设置有悬挑梁7。以上部分根据教学需要，搭建出包含基础、梁、柱、顶等元素的建筑框 架模型，为了保证强度，该建筑框架模型设置有内骨架。该模型是可扩展的，可根据教学需 要增加楼梯、挑梁等结构，光学指示设备相应增加。在建筑物结构框架的不同部分分别设置 多个演示灯和演示灯带作为光电演示系统。
[0025] 如图2a可见，控制系统用于对光电演示系统进行控制，其包括控制主机5,所述控 制主机5上设置有控制系统电路板，所述的控制系统电路板上设置有电源电路51、程序烧 录及复位电路52、MCU接口电路53、UTC1212接口电路54、多个继电器电路板插口 55,所述 单片机经MCU接口电路53连接至电路板，所述的多个继电器电路板插口 55分别连接有继 电器控制电路板，每个继电器控制电路板连接若干个继电器，所述的多个演示灯和演示灯 带分别经继电器与外部电源连接。
[0026] 如图2b可见，由于单片机C8051R)60和电平转换芯片SP3232需要+3. 3V的工作 电压，而串并转换芯片DM74LS164M需要+5 V电压，因此输入的+7?40V DC经过电源芯片 LM2596-5. 0 (U1)转换后，输出+5V电压。+5V电压一路输送到串并转换芯片DM74LS164M， 另一路输入电源芯片LM1085S-3. 3 (U2)，用来产生+3. 3V电压，供单片机等数字电路使用。
[0027] 项目设计的C8051F060单片机烧录及复位电路如图2c所示，复位电路允许很容易 地将控制器置于一个预定的缺省状态。在进入复位状态时，将发生以下过程： ① CIP-51停止程序执行 ② 特殊功能寄存器（SFR)被初始化为所定义的复位值 ③ 外部端口引脚被置于一个已知状态 ④ 中断和定时器被禁止。
[0028] 如图2d可见，MCU接口电路是整个控制电路板的核心，由C8051R)60单片机实现 控制继电器通断、与外界通信等。该模块主要用到单片机的定时器和中断功能。按照控制 灯箱亮灭的时间和顺序，单片机分别控制相应的I/O引脚发出高电平或低电平，并将这些 控制信号传输给继电器电路板，从而达到控制继电器开关通断的目的。
[0029] 本发明中，还包括远程操作系统，所述远程操作系统包括至少一个终端6,所述终 端6与控制主机5之间以无线方式通信。
[0030] 所述的终端6采用HT368型手持型终端设备，所述的终端6与控制主机5之间采 用ZigBee协议无线通信。所述的终端6和控制主机5内分别设置有UTC-1212RD无线通信 模块。经过比较，我们选用杭州飞拓电子科技有限公司的基于ZigBee通信的无线通信模块 UTC-1212RD。UTC-1212RD外观尺寸为32. 2 X 18. 3 X 7mm，可以安装到手持终端内部。
[0031] 表 1 UTC-1212RD 引脚说明
【权利要求】
1. 一种建筑物结构力学光电演示系统，包括建筑物结构框架，所述建筑物结构框架包 括设置在地面上的基础（1)、设置在基础（1)之上的至少四根立柱（2)，相邻立柱（2)之上设 置有横梁（3)、横梁（3)之上通过立柱（2)设置有屋顶（4)，其特征在于：还包括光电演示系 统和与光电演示系统连接的控制系统； 所述的光电演示系统包括设置在建筑物结构框架上的多个演示灯和演示灯带； 所述控制系统包括控制主机（5)，所述控制主机（5)包括：通过电路板连接的单片机， 还包括与光电演示系统各演示灯、灯带对应的多个继电器，所述单片机与所述多个继电器 连接，所述的多个演示灯和演示灯带分别经继电器与外部电源连接。
2. 如权利要求1所述的建筑物结构力学光电演不系统，其特征在于：所述的光电演不 系统包括以下子系统中的至少一个：A、沿基础（1)布置有多个基础荷载演示灯（10) ;B、在 立柱（2)内自上而下设置的多组建筑内力荷载演示灯（20) ;C、设置在立柱（2)内的至少一 条立柱小偏心受压演示灯带（21) ;D、设置在所述的横梁（3)之上的多个横梁均布荷载演示 灯（30)、设置在横梁（3)之上的横梁集中荷载演示灯（31);E、所述的横梁（3)内沿其走向设 置的横梁一级荷载变形曲线演示灯（32)和至少一条横梁二级荷载变形曲线演示灯（33);F、 设置在所述立柱（2 )与横梁（3 )结合部位的弯矩受力演示灯（230 ) ;G、沿屋顶（4)其走向设 置的多个屋顶荷载演示灯（40 )。
3. 如权利要求2所述的建筑物结构力学光电演示系统，其特征在于：还包括设置在所 述建筑物结构框架上的悬挑梁（7)，至少一个悬挑梁（7)上方沿其走向设置有多个悬挑梁 均布荷载演示灯（70 )，悬挑梁（7 )上方还设置有悬挑梁集中荷载演示灯（71 )，悬挑梁（7 )上 还设置有悬挑梁一级载荷变形演示灯（72)，悬挑梁一级载荷变形演示灯（72)下方设置有 悬挑梁二级载荷变形演示灯（73);所述水平外力受力演示模块还包括设置在建筑物结构框 架一侧的多个水平外力演示灯（8)，在水平外力演示灯（8)对侧的建筑物结构框架内设置 有多个水平反力演示灯（80)。
4. 如权利要求1、2或3所述的建筑物结构力学光电演示系统，其特征在于：还包括远 程操作系统，所述远程操作系统包括至少一个终端（6)，所述终端（6)与控制主机（5)之间 以有线或无线方式通信。
5. 如权利要求4所述的建筑物结构力学光电演不系统，其特征在于：所述的单片机为 C8051R)60型单片机。
6. 如权利要求4所述的建筑物结构力学光电演不系统，其特征在于：所述的电路板上 还设置有程序烧录及复位电路。
7. 如权利要求4所述的建筑物结构力学光电演不系统，其特征在于：所述终端（6)与控 制主机（5)之间以无线方式通信；所述的电路板上设置有电源电路、MCU接口电路、继电器 控制电路，所述单片机经MCU接口电路连接至电路板，所述继电器经继电器控制电路连接 至电路板，所述的电路板上还设置有无线通信模块。
8. 如权利要求7所述的建筑物结构力学光电演示系统，其特征在于：所述的终端（6)采 用HT368型手持型终端设备，所述的终端（6)与控制主机（5)之间采用ZigBee协议无线通 ?目。
9. 如权利要求8所述的建筑物结构力学光电演示系统，其特征在于：所述的终端（6)和 控制主机（5)内分别设置有UTC-1212RD无线通信模块。
【文档编号】G09B25/04GK104112391SQ201410383300
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】陶盛, 陶顺, 王东峰 申请人:陶顺