桩机施工过程自动监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种桩机施工过程自动监测系统。

背景技术：
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打桩是加固处理高速铁路、高速公路泥泞、松散（软）等薄弱路基的重要方法，打桩的位置、深度和倾角是衡量每个桩质量的重要参数，对上述参数的监测是确保打桩质量的重要方法和手段。

目前桩机施工过程主要是靠技术人员或监理人员施工现场直接监测，人工监测打桩位置、打桩深度、打桩倾角信息，人工监测打桩质量，同时，人为监测，工作效率低，也会造成人力、财力的浪费。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供一种桩机施工过程自动监测系统，节省人力、财力，提高工作效率，提高施工过程管理水平。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种桩机施工过程自动监测系统，其组成包括：微处理器芯片，所述的微处理器芯片通过I/O口分别与铁电RAM存储器、温度传感器、时钟电路、USB接口电路和电源电路连接，所述的微处理器芯片通过串口一与倾角传感器接口电路连接，所述的微处理器芯片通过串口二与GPS接口电路连接，所述的微处理器芯片通过串口三与Zigbee接口电路连接，所述的微处理器芯片通过串口四与GPRS接口电路连接，所述的微处理器通过串口五与位移传感器接口电路连接。

所述的桩机施工过程自动监测系统，所述的电源电路为DC12V，功耗小于15W。

所述的桩机施工过程自动监测系统，所述的微处理器芯片为ARM系列微处理器芯片。

所述的桩机施工过程自动监测系统，GPS静态水平定位精度1cm，动态水平定位精度2cm；所述的位移传感器接口电路的量程范围60m，在测量范围内，测量精度为10cm，所述的倾角传感器接口电路的量程范围±15°，在测量范围内，测量精度为0.002°，所述的温度传感器量程范围-55～125℃，在测量范围内，测量精度为0.5℃。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型通过摄像头能够全过程、实时采集桩机施工过程的钻头位置数据、垂直方向位移数据、支撑臂的倾角数据，为通过采集数据获取每根桩的位置信息、深度信息、倾角信息，进而判断每根桩的施工质量提供依据，一方面，减少了人为因素对施工过程的影响，加快施工进度；另一方面，对桩机过程实现了全过程、实时监测，不会出现漏检漏测问题，取保施工质量。同时，减少人力、财力的浪费。

、本实用新型采用大容量铁电RAM存储采集数据，可以避免纸质监测记录存在的易顺坏、已丢失等不足。

、本实用新型通过USB接口直接将采集数据拷贝到U盘，实现采集数据的汇总，并且还可以利用PC机对采集数据做进一步分析处理。

、本实用新型通过GPRS接口，可实时将采集数据信息传输到服务器，能够实现对施工现场的监督，提高管理部门对施工现场的管理水平。

、本实用新型通过Zigbee接口实现对桩机施工过程自动监测系统的控制。

、本实用新型具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点。

附图说明：

附图1是本实用新型的原理结构框图。

附图2是微处理器部分电路图。

附图3是电源部分电路图。

附图4是铁电存储器部分电路图。

附图5是测温部分电路图。

附图6是时钟部分电路图。

附图7是USB接口部分电路图。

附图8是GPS接口部分电路图。

附图9是GPRS接口部分电路图。

附图10是Zigbee接口部分电路图。

附图11是位移传感器接口部分电图。

附图12是倾角传感器接口部分电路图。

具体实施方式：

实施例1：

一种桩机施工过程自动监测系统，其组成包括：微处理器芯片1，所述的微处理器芯片通过I/O口分别与铁电RAM存储器2、温度传感器3、时钟电路4、USB接口电路5和电源电路6连接，所述的微处理器芯片通过串口一与倾角传感器接口电路7连接，所述的微处理器芯片通过串口二与GPS接口电路8连接，所述的微处理器芯片通过串口三与Zigbee接口电路9连接，所述的微处理器通过串口四GPRS接口电路10连接，所述的微处理器通过串口五与位移传感器接口电路11连接。

实施例2：

根据实施例1所述的桩机施工过程自动监测系统，所述的电源电路为DC12V，功耗小于15W。所述的微处理器芯片为ARM系列微处理器芯片。

实施例3：

根据实施例1或2或3所述的桩机施工过程自动监测系统，GPS静态水平定位精度1cm，动态水平定位精度2cm；所述的位移传感器接口电路的量程范围60m，在测量范围内，测量精度为10cm，所述的倾角传感器接口电路的量程范围±15°，在测量范围内，测量精度为0.002°，所述的温度传感器量程范围-55～125℃，在测量范围内，测量精度为0.5℃。

以上硬件部分安装完成以后，软件安装和软件和硬件调试过程包括：

工作过程：桩基施工过程自动监测系统的软件系统工作过程主要包括常规软件系统的安装、数据采集和数据处理等三个部分，下面分别加以说明：

1.系统安装

（1）系统（包括GPS天线等）安装在桩机的最顶部。

（2）激光位移传感器的激光镜头与钻机支撑臂垂直或激光光路与钻机支撑臂平行。

（3）倾角传感器与支撑臂平行。

数据采集

数据采集分自动和手动两种方式。

自动方式：由倾角传感器感知桩机支撑臂状态，再由桩机支撑臂的状态决定是否采集数据，即：当桩机支撑臂处于大致垂直状态（倾角小于1°）时，开始存储位置数据、深度数据和倾角数据；当桩机支撑臂处于非垂直状态（倾角大于等于1°）时，停止存储位置数据、深度数据和倾角数据。

（1）倾角数据

系统上电开机后，通过倾角传感器感知桩机支撑臂的方位，若桩机支撑臂进入大致垂直状态（倾角小于1°），发出命令存储位置数据、深度数据和倾角数据，直到感知到桩机支撑臂处于非垂直状态（倾角大于等于1°），停止存储数据。

（2）位置数据

系统上电开机后，通过GPS模块感知位置信息，系统始终以1Hz的频率接收GPS模块提供的位置信息，并根据桩机支撑臂状态决定是否存储位置数据，即当桩机支撑臂处于大致垂直状态（倾角小于1°）时，开始存储位置数据；当桩机支撑臂处于非垂直状态（倾角大于等于1°）时，停止存储位置数据。

（3）深度数据

系统上电开机后，根据桩机支撑臂状态决定是否采集和存储深度数据，即当桩机支撑臂处于大致垂直状态（倾角小于1°）时，通过激光位移传感器，感知钻头距离桩机顶部的位移信息，再采集并存储深度信息；当桩机支撑臂处于非垂直状态（倾角大于等于1°）时，激光位移传感器停止工作，停止深度信息的采集和存储。

手动方式：通过Zigbee无线通信方式下发采集存储命令，系统接收命令后，开始采集存储位置数据、深度数据和倾角数据；通过Zigbee无线通信方式下发停止采集存储命令，系统接收命令后，停止采集存储位置数据、深度数据和倾角数据。

数据分析

根据采集位置数据、深度数据和倾角数据，获取桩机施工过程中每根桩的位置、深度和倾角信息，再与每一根桩标准设计的位置参数、深度参数和倾角参数作对比，进而判断每一根桩是否满足设计要求。

实施例7：

附图1桩机施工过程自动监测系统设计方案原理框图。图1电源电路为监测系统提供不同等级的直流工作电压。图1铁电RAM存储器在微处理器的控制下，存储采集信号数据。图1测温电路在微处理器控制下，测监测系统工作环境温度。图1时钟电路在微处理器控制下，记录施工过程的时间信息。图1USB接口电路在微处理器控制下，可方便地导出采集信号数据。图1GPS接口电路在微处理器控制下，精确定位桩机位置信息，也即打桩的具体位置信息。图1GPRS接口电路在微处理器控制下，能够将采集信号数据，无线传输给相关部分。图1Zigbee接口电路在微处理器控制下，能够实现就地无线控制监测系统的工作状态。图1位移传感器电路在微处理器控制下，实时监测打桩的深度信息。图1倾角传感器电路在微处理器控制下，实时监测打桩的倾斜角信息。

附图2微处理器部分电路图。微处理器部分是所述的桩机施工过程监测系统的核心部分。图2 U1的9、10、11引脚分别与图6的U2的7、6、5引脚相连，图2 U1的14、15引脚分别与图9的J-GPRS的14、15引脚相连，图2 U1的16、17引脚分别与图8的U3的10、9引脚相连，图2 U1的20、21、22、23引脚分别与图4的U4的1、6、2、5引脚相连，图2 U1的24引脚分别与图3的电阻R14、电阻R15、电容C26以及稳压管D4相连，图2 U1的29、30引脚分别与图10的J-Zigbee的3、2引脚相连，图2 U1的33引脚与图5的U5的2引脚以及电阻R16相连，图2 U1的44、45引脚分别与图8的电阻R8、电阻R9相连，图2 U1的50引脚与图12的U5的2、3引脚相连，图2 U1的51、52引脚分别与图9的J-GPRS的12、13引脚相连，图2 U1的53、54引脚分别与图11的J-LASER的1、2引脚相连。通过上述连接实现微处理器对铁电存储器、温度测量、时钟、USB接口、GPS模块、GPRS模块、Zigbee模块、位移传感器和倾角传感器等各部分的控制。

附图3电源部分电路图。图3的J_POWER接外部DC12V电源，经E1、E2变换得到5V、3.3V等不同等级的电压，其中5V输出电压为图7USB接口电路、图9GPRS接口电路以及图11位移传感器提供工作电压，3.3V输出电压为图2微处理器STM32F105RC芯片、图4铁电存储器25VF020B芯片、图5测温DS18B20芯片、图6的时钟DS1302芯片、图7USB接口电路、图8GPS接口电路及MAX3232转换芯片、图10Zigbee接口电路、图12MAX485转换芯片等提供工作电源。

附图4铁电存储器部分电路图。图4的U4（25VF020B）以SPI总线形式与图2的U1微处理器相连，通过上述连接，实现相关采集数据信息的存储。

附图5测温部分电路图，图5中的U5（DS18B20）温度传感器以单总线形式与图2的U1微处理器相连，通过上述连接，获取监测系统工作环境的温度信息。

附图6时钟部分电路图，图6的U2（DS1302）时钟芯片以IIC总线形式与图2的U1微处理器相连，通过上述连接，实现日期数据的设定和读取。

附图7USB接口部分电路图，图7的J-USB的2引脚通过电阻R8与图2的U1的44引脚相连，图7的J-USB的3引脚通过电阻R9与图2的U1的45引脚相连，通过上述连接，可导入、导出相关数据信息。

附图8GPS接口部分电路图，图8的U3（MAX3232）的9，10引脚分别与图2的U1的17、16引脚相连，实现TTL电平与RS232电平的转换，图8的U3的7、8引脚分别与J-GPS连接件的3、2引脚相连，通过上述连接，由串口2以RS232通信方式获取GPS数据信息。

附图9GPRS接口部分电路图，图9的J-GPRS接插件的12、13、14、15引脚分别与图2的U1的51、52、14、15引脚相连，通过上述连接，由串口4实现数据信息的无线传输。

附图10Zigbee接口部分电路图，图10的J-ZIGBEE接插件的2、3引脚分别与图2的U1的30、29引脚相连，通过上述连接，由串口3以无线方式实现对监测系统的控制。

附图11位移传感器接口部分电图，图11的J-LASER接插件的1、2分别引脚分别与图2的U1的53、54引脚相连，通过上述连接，由串口5获取位移数据信息。

附图12倾角传感器接口部分电路图，图12的U5的2、3引脚与图2的U1的50引脚相连，控制RS485数据传输的方向，图12的U5的1、4引脚分别与图2 U1的43、42引脚相连，实现TTL电平与RS485电平的转换，突12的U5的7、8引脚分别与J-ANGLE接插件的3、2引脚相连，通过上述连接，由串口1以RS485通信方式获取倾角数据信息。

利用同类商业化软件，本系统能够实现自动记录打桩位置、打桩深度、打桩倾角，自动判断打桩是否符合设计标准、无线远传监测数据的桩机施工过程自动监测系统，以确保全程的、实时的桩机施工过程监测，进而确保每根桩的施工质量，并实时地监测桩机施工过程中打桩位置、打桩深度和打桩倾角数据，记录每根桩的位置、深度和倾角信息，并根据采集数据信息，判断每根桩的施工质量。

对于施工状态的桩机，实时监测钻头的位置数据、垂直方向的位移数据、支撑臂的倾角数据；再利用上述采集数据获取桩机施工过程中每根桩的位置信息、深度信息、倾角信息，并将上述信息与设计参数作比较，进而判断每根桩的施工质量。同时，利用上述采集数据还可以对整个施工区域打桩数量、工作进度等作出统计，提高施工过程的管理水平。