窨井盖智能安全防护装置设计毕业设计(论文)

图书分类号密级毕业设计论文窨井盖智能安全防护装置设计THEDEVICEDESIGNOFTHEINTELLIGENCE,SAFETYANDPROTECTIONOFTHEMANHOLECOVER学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名日期年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名导师签名日期年月日日期年月日摘要本论文是设计一种窨井盖智能安全防护装置，涉及窨井盖安全技术领域。首先，查阅相关文献，分析现有的窨井盖的优缺点。其次，通过对工作环境的分析，设计合理窨井盖的结构，并通过计算进行验证结构的合理性。最后，结合相关文献和导师的建议选择了窨井盖的移位传感器、窨井内的水位检测传感器、无线模块和整个装置的太阳能供电模块并进行相关电路的设计。该装置通过无线将传感器检测到的窨井盖信号传给市政部门，便于有效管理窨井盖，减小窨井盖事故发生的概率。关键词窨井盖；传感器；无线传输；太阳能供电ABSTRACTTHISTHESISISTODESIGNAMANHOLECOVERINTELLIGENTSECURITYGUARDS,SECURITYTECHNOLOGIESINVOLVINGMANHOLECOVERFIRST,RELEVANTLITERATURE,THEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFTHEEXISTINGMANHOLECOVERSECONDLY,THROUGHTHEANALYSISOFTHEWORKENVIRONMENT,THERATIONALDESIGNOFTHESTRUCTUREOFTHEMANHOLECOVER,ANDBYCALCULATINGTHEREASONABLEVERIFICATIONSTRUCTUREFINALLY,THEPROPOSEDCOMBINATIONOFLITERATUREANDMENTORSCHOSESOLARPOWERMODULEMANHOLECOVERDISPLACEMENTSENSOR,LEVELSENSORINSIDETHEMANHOLE,THEWIRELESSMODULEANDTHEENTIREDEVICEANDASSOCIATEDCIRCUITRYDESIGNTHEDEVICEOVERTHEWIRELESSSENSORDETECTEDSIGNALSTOTHEMANHOLECOVERMUNICIPALSECTOR,TOFACILITATETHEEFFECTIVEMANAGEMENTOFTHEMANHOLECOVER,MANHOLECOVERTOREDUCETHEPROBABILITYOFACCIDENTSKEYWORDSMANHOLECOVERSENSORWIRELESSTRANSMISSIONSOLARPOWER目录摘要IIABSTRACTIII1绪论111引言112国内外研究现状2121窨井盖材料的研究现状2122窨井盖设计现状2123窨井巡检技术的研究现状2124水位检测技术研究现状413论文研究的主要内容52窨井盖结构的设计721窨井盖尺寸和结构的拟定722计算方法中参数的选择723窨井盖板的结构验算8231按均布荷载计算内力8232按均布荷载对窨井盖截面强度进行核算9233窨井盖跨中正截面疲劳强度核算1024结论113窨井盖移位信息获取传感器的电路设计1231传感器的设计原理12311基于磁阻效应的磁场检测传感器12312AMR磁传感器的工作机理1232新型传感器的结构设计1333新型传感器的电路设计14331放大滤波电路的设计15332置位复位脉冲电路的设计15333偏置消除电路1734本章小结184窨井内液位检测传感器的电路设计1941超声波液位计的工作原理1942超声波液位传感器模块硬件设计20421超声波发射电路20422前置放大电路21423带通滤波电路22424检波及整形电路24425温度补偿电路2643超声波液位计模块软件流程设计2644本章小结275无线窨井系统网络拓扑结构和模块的设计2851无线窨井系统传输网络结构28511传感器节点和中继器之间的组网结构28512中继器之间的组网结构29513网关节点与远程监控中心的组网结构3052无线模块的设计31521传感器节点与中继器通信模块31522中继器之间通信模块31523网关节点与远程监控中心无线模块3253本章小结336太阳能供电系统设计3461太阳能供电系统基本概念3462太阳能供电模块的设计34621蓄电池充电电路总体设计34622电压比较电路设计35623电流比较电路设计35624负载控制电路设计36625电源调理电路设计3763本章小结37结论38致谢39参考文献401绪论11引言文学家龙应台文章中写过一场大雨便可检验城市是否达到现代化。正如这句话所说，大雨确实是对一座城市和一个国家建设水平而言，最好的检测方式。一个城市的排水网络，是解决城市污水和雨水问题的有效途径，是市政部门的重要构成部分，在生态环境保护系统中充当着一个重要角色1。城市排水主要来源是工厂排放的污水、日常生活的废水和正常的降水。城市排水系统方便了市民的生活，减少污水带来的环境污染问题，保障了城市现代化发展。近几年来，随着人民生活水平的飞速发展，日常排放的废水量直线上升，引发的环境问题也日趋严重，暴雨天气下窨井盖被冲起等问题一定程度上危害着人们的人身安全。因此，如何及时检测城市排水系统的水位的高度成为我们重点要解决的问题之一。铁制窨井盖易脆裂常被盗窃造成事故，一定程度上影响公民的人身安全。近些年来研究弓形钢纤维混凝土阻止微裂缝的引发和扩展的相关理论取得了很大进展，为生产钢纤维混凝土窨井盖提供了充足的理论支持。钢纤维混凝土窨井盖相对于带肋的钢纤维混凝土窨井盖具有成本低，耐用性好，设计简单等优点。在考虑相关材料选择的基础上对窨井盖进行再设计和对窨井盖是否缺失的监测来改善窨井坠落事故，提高行人外出的安全感。通过传感器组成的实时检测系统可以及时地获取城市排水系统水位和窨井盖缺失情况。因为窨井排水网络是一个庞大的工程，怎样布局检测装置，怎样传输传感器监测数据成为了排水网络监控方面的难题。从监控系统的传输的方式来看，有线方式居多，由于城市排水网络环境的恶劣，传输电缆容易遭到破坏，这是监控系统的一个非常大的隐患。WSN的运用给窨井盖监测系统带来了一种新的解决办法2，WSN具有能耗低、成本低和使用方便等优点。通过使用传感器，监测窨井内的水位高度和窨井盖的缺失情况，把监测到的数据利用无线技术传输到窨井盖附近的网关上，再通过GPRS网络把监测到的数据传输到远程的监控中心。这样一来，如果窨井盖内水位过高或是丢失，远程的监控中心会给出对应的报警提示，相关部门就能根据提示及时解决问题，一定程度上减小事故发生几率。本文着重研究窨井盖的材料选择、窨井盖预警结构的机械设计、一种基于WSN网络的适用于窨井盖内水位监测和缺失的方法三个方面对窨井盖进行改造设计。12国内外研究现状121窨井盖材料的研究现状近年来，电视媒体频频播报由于窨井盖损坏或是被盗等原因造成财产损失和人员伤亡的事故。由于这类事故频频发生，我国渐渐对窨井盖新型材料研发和防盗两方面加以重视。由钢筋混凝土筑成的窨井盖发展到球墨铸铁材质窨井盖，再由铸铁材质窨井盖发展到复合材质窨井盖，最终目的都是为了安全耐用和美观。目前，市面上出现的复合材料窨井盖与上述两种窨井盖的材质相比，成本低，并且回收再利用价值很低，这样就能减少窨井盖被盗的几率。另外根据调查，我国大多数窨井盖损坏的形式为局部破裂状分散损坏或者整体损坏，造成这种损坏的形式是由于窨井盖的结构和材料没有充分合理的结合。122窨井盖设计现状国外窨井盖在设计方面日渐趋于完善和人性化，极大程度上考虑了行人的出行安全，而不局限于窨井盖本身的功能性。相比较而言，国内窨井盖设计还停留在工程设施的基础上，不能够认识到行人和窨井盖之间的关系，这对城市的健康发展、公共安全设施功能的体现都会有不良影响。随着城市现代化建设、人口数量的不断增长、行人密度急剧增加和行人安全问题不断突出，对窨井盖设计的优化，提高其安全性能迫在眉睫。目前，我国窨井盖在设计过程中仅仅是考虑到窨井框与窨井盖的精密度，从而避免在车辆碾压的过程中出现跑、跳的现象，但是在安全使用方面还是不够完善。在这种情况下，需要将目前窨井盖的结构进行再设计，解决窨井盖被水淹没及夜晚窨井盖缺失两种情况下的安全预警设计，降低行人坠井事故发生的几率。同时还有必要在窨井盖的底部装设抗压支架装置，为窨井盖提供支撑力和应急保护措施。针对目前国内窨井盖的现状，完成一种抗压窨井盖以及其安全预警的结构设计，有利于减小窨井盖事故的发生概率。123窨井巡检技术的研究现状在发达国家，水电、管道、常见的公共设施的管理都由市政负责，因此窨井可以交叉使用，且位置隐蔽不易被发现。例如日本，窨井都设计在马路下面，路面上基本没有窨井盖。所以说窨井盖问题在中国比较严重。窨井盖从起初的无防盗的普通窨井盖变为运用电子技术对窨井盖防盗功能的再设计。2009年起窨井盖管理模式发生了巨大的变化，即使用RFID技术，相关负责人定期检查，使用掌机读取窨井盖的状态信息。物联网相关技术的不断更新，窨井盖模式将发展到第四个阶段，即通过物联网技术来管理窨井盖。窨井盖发展的过程如图11所示图11窨井盖发展的过程1普通窨井盖（1）无防盗功能,通过人工巡检的方式监测窨井盖（2）窨井盖故障发生几率高2防盗窨井盖（1）引用相关技术对窨井盖进行防盗设计（2）窨井盖成本较高（3）随着科技的发展,系统常常需要“升级”（4）需要人工巡检3城管通模式（1）引用RFID技术，市政部门定期利用掌机读取窨井盖的状态数据（2）效率相对提高，不必要巡查每个窨井盖，就能实现大面积的窨井盖状态信息的获取（3）需要人工巡检（4）实时性不高4智慧窨井盖（1）实现了窨井盖的精细化管理（2）实时监测，便于维修（3）不需要人为巡检，降低人工成本（4）报警性能好，实时性好智慧窨井盖融合了许多技术，使用了当前最新的无线技术，相对于以往的窨井盖具有相当大的优势，便于窨井盖的有效管理。但是窨井盖数量非常巨大，超过了无线网络的容量，而如果一味地增加无线网络的容量，会导致其灵敏性降低和信号通道相互影响，所以无线网络技术有待于进一步发展。上世纪90年代，无线网络开始发展并得到重视。首先是由教授WILLIAMJKAISER向DARPA提交“低功耗无线集成MCU”，引发了无线网络的革命。无线网络技术融合了许多技术MCU技术、信号处理技术、通信技术等。利用合理布局无线节点的方法，构建有效网络，把传感器获取信息汇总到远程监控中心，便于远程的调节和控制。目前，在家居、仓存和交通等行业逐渐推广试用，取得了很好的成果，可以看出无线网络在将来很大程度上会推动科技的革新，起到一个积极重要的作用。知识创新工程试点领域研究方向标志着国内无线技术正式被提出，由于高校和企业的支持和推广，无线技术发展很快。并且得到了政府的重视，无线技术开始应用于商业。无线网络作为传输的通道，负责传输窨井盖丢失情况和窨井盖内水位高度信息，本设计研究了两种无线网络之间的数据信号传输1节点与中继器的数据通信；2中继器之间的通信。前一种通信是基于433MHZ信道的，后一种通信是基于24GHZ信道的。124水位检测技术研究现状现在，水位检测传感器技术发展迅速，结合了不同的原理和方法，对应不同的需求研制了许多水位传感器。近些年来，半导体技术的迅速发展引发了水位监测装置的革新，有传统的接触式水位传感器，也有新型的非接触式水位传感器。窨井盖内水质具有极强的腐蚀性，一定程度上导致水位传感器存在测量误差。考虑到上述因素，本设计运用非接触式超声波水位检测技术，减小水质恶劣情况下检测的误差，但是环境的温度也会带来测量上的误差，并且超声波水位传感器的耗电很大，供电也是急需解决的问题。在生产实际中，水位检测传感器应用十分广泛，包含着制造业中的许多流程，要求相当高的精度和灵敏度，并且还要求适用于恶劣的工作环境。随着微电子、光纤和超声波技术的结合发展，水位传感器更加多元化，功能更加强大，可以较好的满足不同需求的测量。下面介绍三种水位检测技术（1）差压式水位检测技术该技术的原理是利用差压传感器将被检测液体压强和标准大气压作比较的方法来完成水位的测量。目前随着半导体技术的成熟，平衡电桥技术得到了很大的提高。平衡电桥利用被检测液体的压强来导致使自己不平衡，从而能够输出和水位高度对应的电信号。差压式水位传感器常应用于边界的相关检测上。根据测量液体相应的成分以及密度等物理量，结合差压式原理可设计出对应的传感器，比如双法兰式差压仪表、法兰插入式差压仪表和平法兰式差压仪表。（2）磁致伸缩水位检测技术运用磁致伸缩技术制作的一种新型水位传感器，由探测杆、传感器电路和浮子三部分构成。探测杆内装有波导丝；浮子与一个永磁体构成一体，永磁体可以和浮子一起在探测杆上作竖直方向上的移动；传感器电路设计的目的是用来产生和接收信号，检测产生和接收信号之间的时间差值来得出液面的实时高度。首先，传感器产生一个电流信号，信号便通过波导丝传输，当信号产生的磁场和永磁体的磁场相遇时，便会形成一个扭转波，由波导丝传输给传感器。根据这个时间间隔来计算液面的高度。磁致伸缩水位传感器在工厂的生产中得到了广泛的应用，经常用的传感器有MS、UPM100、SF等，精度非常高，目前可以达到01MM，广泛适用于高精度测量场合。（3）光纤水位检测技术光纤水位检测技术是近几年来出现的一种新型技术，相关的一些产品不断的推出。光纤水位检测技术是根据光在不同的物质中传输性能的不同来检测液位的。光纤检测技术的优点主要有简便、便于安装和可以检测任意液体液位；缺点主要有当前的技术相对不是非常成熟、生产成本比较高、生产的传感器不是非常稳定。但是技术的前景和发展空间比较大，随着技术的发展会得到普遍的应用。以上三种有关水位的技术都有一定的优势，但应用到本设计中却不是非常适合，本文考虑了多方面因素选择了一种低功耗的非接触式的超声液位检测传感器，负荷本设计的要求。13论文研究的主要内容本课题的重点是设计一种在暴雨天气不易被冲起的窨井盖结构和研究窨井盖的移位信息以及窨井盖内水位高度信息的采集并利用无线和GPRS将窨井盖的移位信息以及窨井盖内水位高度信息发送到远程数据中心，有利于市政部门及时了解并处理相关问题。本设计主要分为以下几个方面1为解决窨井盖在暴雨天气易被冲起问题，结合机械设计相关知识，设计窨井盖结构，并通过计算验证。2检测传感器的设计。窨井盖的移位信息的获取运用了磁阻效应原理，选取了低功耗的AMR磁阻传感器。窨井盖内水位信息的获取结合了超声波测距技术，设计一种低功耗的传感器。3无线网络的设计。运用433MHZ的无线网络将窨井盖的数据信息传送到地面上的中继器。路面上的中继器之间采用ZIGBEE技术进行通信，再通过GPRS将窨井盖数据信息传送到远程控制中心。4太阳能供电模块的设计。将太阳能技术引用到本设计中，节能环保的同时也解决了给装置提供能量的问题。2窨井盖结构的设计21窨井盖尺寸和结构的拟定625电源调理电路设计设计电源调理电路的目的是向各个负载输入相对应的额定电压，使得装置稳定工作。无线负载的额定电压为33V，GPRS负载的额定电压为4V。综上分析可得，电源调理电路的设计原理便是将12V的电源电压变成5V、4V、33V三种额定电压值，如图66所示。本设计采用多级稳压的稳压方式，首先将12V的电源电压降到5V，然后再将5V电压转换成所需的4V和33V电压。由于GPRS工作时必须要很大的瞬时电流驱动，所以在得到5V电压时必须允许很大的电流通过。电源调理电路选取LM2576芯片来保证这个大电流。5V电压经过二极管即可得到4V电压。无线网关需要稳定的33V电源供电，电源调理电路采用SPX1117型号的稳压芯片得到所需的电压值。图66电源调理电路63本章小结本章首先介绍了太阳能供电装置的组成部分。然后给出本装置的一个总的设计的理念，最后对电压比较电路、电流比较电路、负载控制电路和电源调理电路进行详细的说明设计。结论在本设计中，我针对以下四个方面进行设计1为解决窨井盖在暴雨天气易被冲起问题，结合机械设计相关知识，设计窨井盖结构，并通过计算验证。2检测传感器的设计。考虑窨井盖内环境恶劣、装置成本和传感器的优劣等问题选取了低功耗的AMR磁阻传感器和超声波水位检测传感器。3无线网络的设计。运用433MHZ的无线网络将窨井盖的数据信息传送到地面上的中继器。路面上的中继器之间采用ZIGBEE技术进行通信，再通过GPRS将窨井盖数据信息传送到远程控制中心。4太阳能供电模块的设计。将太阳能技术引用到本设计中，节能环保的同时也解决了给装置提供能量的问题。