建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，能夠以直觀方式演示建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，直觀展示建筑物基本受力情況、受力變形情況，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)模式。包括建筑物結(jié)構(gòu)框架，還包括光電演示系統(tǒng)和與光電演示系統(tǒng)連接的控制系統(tǒng)。光電演示系統(tǒng)包括設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)框架上的多個(gè)演示燈和演示燈帶。控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)，控制主機(jī)包括：通過電路板連接的單片機(jī)，還包括與光電演示系統(tǒng)各演示燈、燈帶對(duì)應(yīng)的多個(gè)繼電器，單片機(jī)與多個(gè)繼電器連接，多個(gè)演示燈和演示燈帶分別經(jīng)繼電器與外部電源連接。還包括遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。
【專利說明】建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，具體涉及一種建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 高校建筑專業(yè)教學(xué)中涉及建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，教學(xué)內(nèi)容主要有：建筑物的不同 部位基本受力情況，例如建筑物的柱、梁、屋頂、地面等部位受力情況；建筑物受到各種力 時(shí)，力的傳遞路徑和變形情況；具體而言涉及到：梁的集中荷載、梁的均布荷載、懸挑梁集 中荷載、懸挑梁均布荷載、柱的軸心受壓、柱的小偏心受壓、框架結(jié)構(gòu)體系傳力、建筑物水平 力應(yīng)力情況等。
[0003] 現(xiàn)有教學(xué)條件下，上述課程或教學(xué)內(nèi)容均通過教師集中講解，教學(xué)內(nèi)容抽象，與實(shí) 際建筑物聯(lián)系不緊密，教學(xué)不夠直觀，理論與實(shí)際脫離，影響學(xué)生理解和掌握知識(shí)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，能夠以 直觀方式演示建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，直觀展示建筑物基本受力情況、受力變形情況，實(shí)現(xiàn) 理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)模式。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，包括建筑物結(jié)構(gòu) 框架，所述建筑物結(jié)構(gòu)框架包括設(shè)置在地面上的基礎(chǔ)、設(shè)置在基礎(chǔ)之上的至少四根立柱，相 鄰立柱之上設(shè)置有橫梁、橫梁之上通過立柱設(shè)置有屋頂，還包括光電演示系統(tǒng)和與光電演 示系統(tǒng)連接的控制系統(tǒng)。
[0006] 所述的光電演示系統(tǒng)包括設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)框架上的多個(gè)演示燈和演示燈帶。
[0007] 所述控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)，所述控制主機(jī)包括：通過電路板連接的單片機(jī)，還包 括與光電演示系統(tǒng)各演示燈、燈帶對(duì)應(yīng)的多個(gè)繼電器，所述單片機(jī)與所述多個(gè)繼電器連接， 所述的多個(gè)演示燈和演示燈帶分別經(jīng)繼電器與外部電源連接。
[0008] 所述的光電演示系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)中的至少一個(gè)：A、沿基礎(chǔ)布置有多個(gè)基礎(chǔ)荷 載演示燈；B、在立柱內(nèi)自上而下設(shè)置的多組建筑內(nèi)力荷載演示燈；C、設(shè)置在立柱內(nèi)的至少 一條立柱小偏心受壓演示燈帶；D、設(shè)置在所述的橫梁之上的多個(gè)橫梁均布荷載演示燈、設(shè) 置在橫梁之上的橫梁集中荷載演示燈；E、所述的橫梁內(nèi)沿其走向設(shè)置的橫梁一級(jí)荷載變形 曲線演示燈和至少一條橫梁二級(jí)荷載變形曲線演示燈；F、設(shè)置在所述立柱與橫梁結(jié)合部位 的彎矩受力演示燈；G、沿屋頂其走向設(shè)置的多個(gè)屋頂荷載演示燈。
[0009] 還包括設(shè)置在所述建筑物結(jié)構(gòu)框架上的懸挑梁，至少一個(gè)懸挑梁上方沿其走向設(shè) 置有多個(gè)懸挑梁均布荷載演示燈，所述懸挑梁上方還設(shè)置有懸挑梁集中荷載演示燈，懸挑 梁上還設(shè)置有懸挑梁一級(jí)載荷變形演示燈，懸挑梁一級(jí)載荷變形演示燈下方設(shè)置有懸挑梁 二級(jí)載荷變形演示燈；所述水平外力受力演示模塊還包括設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)框架一側(cè)的多 個(gè)水平外力演示燈，在水平外力演示燈對(duì)側(cè)的建筑物結(jié)構(gòu)框架內(nèi)設(shè)置有多個(gè)水平反力演示 燈。
[0010] 還包括遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)包括至少一個(gè)終端，所述終端與控制主 機(jī)之間以有線或無線方式通信。
[0011] 所述的單片機(jī)為C8051F060型單片機(jī)。
[0012] 所述的電路板上還設(shè)置有程序燒錄及復(fù)位電路。
[0013] 所述終端與控制主機(jī)之間以無線方式通信；所述的電路板上設(shè)置有電源電路、MCU 接口電路、繼電器控制電路，所述單片機(jī)經(jīng)MCU接口電路連接至電路板，所述繼電器經(jīng)繼電 器控制電路連接至電路板，所述的電路板上還設(shè)置有無線通信模塊。
[0014] 所述的終端采用HT368型手持型終端設(shè)備，所述的終端與控制主機(jī)之間采用 ZigBee協(xié)議無線通信。
[0015] 所述的終端和控制主機(jī)內(nèi)分別設(shè)置有UTC-1212RD無線通信模塊。
[0016] 本發(fā)明的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演不系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)有： 1、控制主機(jī)通過多個(gè)繼電器控制各演示燈、燈帶通電或斷電，以光學(xué)模式直觀展示基 礎(chǔ)、立柱、橫梁、屋頂?shù)炔课坏幕臼芰η闆r，教師可以通過終端對(duì)控制主機(jī)進(jìn)行操作，控制 不同演示燈的明滅，從而根據(jù)各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行直觀教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)模式。
[0017] 2、可直觀展示建筑物在自重、外力等影響的受力變形情況。
[0018] 3、上述技術(shù)方案中，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)編程，從而控制若干個(gè)演示燈依次明滅，還可 控制演示燈工作時(shí)間間隔，從而演示某個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力傳遞情況。
[0019] 4、教學(xué)過程中，師生可以根據(jù)教學(xué)點(diǎn)設(shè)置走動(dòng)到模型的不同部位，并通過手持式 移動(dòng)設(shè)備與控制主機(jī)之間移動(dòng)通信，通過手持式移動(dòng)設(shè)備對(duì)光電演示系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制， 師生接近建筑物近距離授課。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)的原理圖； 圖2a是本發(fā)明的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)的控制系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)圖； 圖2b是電源電路原理圖； 圖2c是MCU燒錄及復(fù)位電路原理圖； 圖2d是控制主機(jī)的MCU接口電路圖； 圖2e是無線通信模塊UTC-1212RD的引腳分布圖； 圖2f是無線通信模塊UTC-1212RD與MCU的連接示意圖； 圖2g是繼電器控制原理圖； 圖2h是繼電器控制電路板示意圖； 圖3是本發(fā)明中建筑物結(jié)構(gòu)框架部分的示意圖(建筑結(jié)構(gòu)北立面圖）； 圖4是圖3的左視圖(建筑結(jié)構(gòu)東立面圖）； 圖5是圖3的①-①線剖視圖(建筑結(jié)構(gòu)的①軸立面圖）； 圖6是圖3的②-②線剖視圖(建筑結(jié)構(gòu)的②軸立面圖）； 圖7是圖3的③-③線剖視圖(建筑結(jié)構(gòu)的③軸立面圖）； 圖8是圖3的④-④線剖視圖(建筑結(jié)構(gòu)的④軸立面圖）； 圖9是圖3的⑤-⑤線剖視圖(建筑結(jié)構(gòu)的⑤軸立面圖）； 圖10是本發(fā)明中建筑物結(jié)構(gòu)框架部分的立體示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0022] 如圖1所示，手持終端將指令數(shù)據(jù)經(jīng)無線發(fā)送模塊發(fā)送(傳輸距離20(Γ300米)。無 線接收模塊接收后傳給單片機(jī)模塊，單片機(jī)根據(jù)編好的程序發(fā)出不同的指令，來控制相應(yīng) 的電子開關(guān)組(繼電器）閉合，從而控制燈箱按照需要逐次亮滅。
[0023] 為了滿足教學(xué)需要，本發(fā)明中，按照1:1比例建立一座全框架鋼筋骨架結(jié)構(gòu)的建 筑物模型，并嚴(yán)格按照建筑規(guī)范要求和101圖集要求施工，展示建筑物內(nèi)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；該建 筑物模型內(nèi)還可安裝消防系統(tǒng)、水電系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、智能建 筑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。
[0024] 如圖3至圖10可見，所述建筑物結(jié)構(gòu)框架模擬一座二層小樓，其包括設(shè)置在地面 上的基礎(chǔ)1，具體包括獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)及樁基承臺(tái)，基礎(chǔ)1之上設(shè)置有若干立 柱2,相鄰立柱2之上設(shè)置有橫梁3,橫梁3之上通過立柱2設(shè)置有屋頂4,建筑物結(jié)構(gòu)框架 上還設(shè)置有懸挑梁7。以上部分根據(jù)教學(xué)需要，搭建出包含基礎(chǔ)、梁、柱、頂?shù)仍氐慕ㄖ?架模型，為了保證強(qiáng)度，該建筑框架模型設(shè)置有內(nèi)骨架。該模型是可擴(kuò)展的，可根據(jù)教學(xué)需 要增加樓梯、挑梁等結(jié)構(gòu)，光學(xué)指示設(shè)備相應(yīng)增加。在建筑物結(jié)構(gòu)框架的不同部分分別設(shè)置 多個(gè)演示燈和演示燈帶作為光電演示系統(tǒng)。
[0025] 如圖2a可見，控制系統(tǒng)用于對(duì)光電演示系統(tǒng)進(jìn)行控制，其包括控制主機(jī)5,所述控 制主機(jī)5上設(shè)置有控制系統(tǒng)電路板，所述的控制系統(tǒng)電路板上設(shè)置有電源電路51、程序燒 錄及復(fù)位電路52、MCU接口電路53、UTC1212接口電路54、多個(gè)繼電器電路板插口 55,所述 單片機(jī)經(jīng)MCU接口電路53連接至電路板，所述的多個(gè)繼電器電路板插口 55分別連接有繼 電器控制電路板，每個(gè)繼電器控制電路板連接若干個(gè)繼電器，所述的多個(gè)演示燈和演示燈 帶分別經(jīng)繼電器與外部電源連接。
[0026] 如圖2b可見，由于單片機(jī)C8051R)60和電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232需要+3. 3V的工作 電壓，而串并轉(zhuǎn)換芯片DM74LS164M需要+5 V電壓，因此輸入的+7?40V DC經(jīng)過電源芯片 LM2596-5. 0 (U1)轉(zhuǎn)換后，輸出+5V電壓。+5V電壓一路輸送到串并轉(zhuǎn)換芯片DM74LS164M， 另一路輸入電源芯片LM1085S-3. 3 (U2)，用來產(chǎn)生+3. 3V電壓，供單片機(jī)等數(shù)字電路使用。
[0027] 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的C8051F060單片機(jī)燒錄及復(fù)位電路如圖2c所示，復(fù)位電路允許很容易 地將控制器置于一個(gè)預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí)，將發(fā)生以下過程： ① CIP-51停止程序執(zhí)行 ② 特殊功能寄存器（SFR)被初始化為所定義的復(fù)位值 ③ 外部端口引腳被置于一個(gè)已知狀態(tài) ④ 中斷和定時(shí)器被禁止。
[0028] 如圖2d可見，MCU接口電路是整個(gè)控制電路板的核心，由C8051R)60單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 控制繼電器通斷、與外界通信等。該模塊主要用到單片機(jī)的定時(shí)器和中斷功能。按照控制 燈箱亮滅的時(shí)間和順序，單片機(jī)分別控制相應(yīng)的I/O引腳發(fā)出高電平或低電平，并將這些 控制信號(hào)傳輸給繼電器電路板，從而達(dá)到控制繼電器開關(guān)通斷的目的。
[0029] 本發(fā)明中，還包括遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)包括至少一個(gè)終端6,所述終 端6與控制主機(jī)5之間以無線方式通信。
[0030] 所述的終端6采用HT368型手持型終端設(shè)備，所述的終端6與控制主機(jī)5之間采 用ZigBee協(xié)議無線通信。所述的終端6和控制主機(jī)5內(nèi)分別設(shè)置有UTC-1212RD無線通信 模塊。經(jīng)過比較，我們選用杭州飛拓電子科技有限公司的基于ZigBee通信的無線通信模塊 UTC-1212RD。UTC-1212RD外觀尺寸為32. 2 X 18. 3 X 7mm，可以安裝到手持終端內(nèi)部。
[0031] 表 1 UTC-1212RD 引腳說明

【權(quán)利要求】
1. 一種建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，包括建筑物結(jié)構(gòu)框架，所述建筑物結(jié)構(gòu)框架包 括設(shè)置在地面上的基礎(chǔ)（1)、設(shè)置在基礎(chǔ)（1)之上的至少四根立柱（2)，相鄰立柱（2)之上設(shè) 置有橫梁（3)、橫梁（3)之上通過立柱（2)設(shè)置有屋頂（4)，其特征在于：還包括光電演示系 統(tǒng)和與光電演示系統(tǒng)連接的控制系統(tǒng)； 所述的光電演示系統(tǒng)包括設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)框架上的多個(gè)演示燈和演示燈帶； 所述控制系統(tǒng)包括控制主機(jī)（5)，所述控制主機(jī)（5)包括：通過電路板連接的單片機(jī)， 還包括與光電演示系統(tǒng)各演示燈、燈帶對(duì)應(yīng)的多個(gè)繼電器，所述單片機(jī)與所述多個(gè)繼電器 連接，所述的多個(gè)演示燈和演示燈帶分別經(jīng)繼電器與外部電源連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演不系統(tǒng)，其特征在于：所述的光電演不 系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)中的至少一個(gè)：A、沿基礎(chǔ)（1)布置有多個(gè)基礎(chǔ)荷載演示燈（10) ;B、在 立柱（2)內(nèi)自上而下設(shè)置的多組建筑內(nèi)力荷載演示燈（20) ;C、設(shè)置在立柱（2)內(nèi)的至少一 條立柱小偏心受壓演示燈帶（21) ;D、設(shè)置在所述的橫梁（3)之上的多個(gè)橫梁均布荷載演示 燈（30)、設(shè)置在橫梁（3)之上的橫梁集中荷載演示燈（31);E、所述的橫梁（3)內(nèi)沿其走向設(shè) 置的橫梁一級(jí)荷載變形曲線演示燈（32)和至少一條橫梁二級(jí)荷載變形曲線演示燈（33);F、 設(shè)置在所述立柱（2 )與橫梁（3 )結(jié)合部位的彎矩受力演示燈（230 ) ;G、沿屋頂（4)其走向設(shè) 置的多個(gè)屋頂荷載演示燈（40 )。
3. 如權(quán)利要求2所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，其特征在于：還包括設(shè)置在所 述建筑物結(jié)構(gòu)框架上的懸挑梁（7)，至少一個(gè)懸挑梁（7)上方沿其走向設(shè)置有多個(gè)懸挑梁 均布荷載演示燈（70 )，懸挑梁（7 )上方還設(shè)置有懸挑梁集中荷載演示燈（71 )，懸挑梁（7 )上 還設(shè)置有懸挑梁一級(jí)載荷變形演示燈（72)，懸挑梁一級(jí)載荷變形演示燈（72)下方設(shè)置有 懸挑梁二級(jí)載荷變形演示燈（73);所述水平外力受力演示模塊還包括設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)框 架一側(cè)的多個(gè)水平外力演示燈（8)，在水平外力演示燈（8)對(duì)側(cè)的建筑物結(jié)構(gòu)框架內(nèi)設(shè)置 有多個(gè)水平反力演示燈（80)。
4. 如權(quán)利要求1、2或3所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，其特征在于：還包括遠(yuǎn) 程操作系統(tǒng)，所述遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)包括至少一個(gè)終端（6)，所述終端（6)與控制主機(jī)（5)之間 以有線或無線方式通信。
5. 如權(quán)利要求4所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演不系統(tǒng)，其特征在于：所述的單片機(jī)為 C8051R)60型單片機(jī)。
6. 如權(quán)利要求4所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演不系統(tǒng)，其特征在于：所述的電路板上 還設(shè)置有程序燒錄及復(fù)位電路。
7. 如權(quán)利要求4所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演不系統(tǒng)，其特征在于：所述終端（6)與控 制主機(jī)（5)之間以無線方式通信；所述的電路板上設(shè)置有電源電路、MCU接口電路、繼電器 控制電路，所述單片機(jī)經(jīng)MCU接口電路連接至電路板，所述繼電器經(jīng)繼電器控制電路連接 至電路板，所述的電路板上還設(shè)置有無線通信模塊。
8. 如權(quán)利要求7所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，其特征在于：所述的終端（6)采 用HT368型手持型終端設(shè)備，所述的終端（6)與控制主機(jī)（5)之間采用ZigBee協(xié)議無線通 ?目。
9. 如權(quán)利要求8所述的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)光電演示系統(tǒng)，其特征在于：所述的終端（6)和 控制主機(jī)（5)內(nèi)分別設(shè)置有UTC-1212RD無線通信模塊。
【文檔編號(hào)】G09B25/04GK104112391SQ201410383300
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】陶盛, 陶順, 王東峰 申請(qǐng)人:陶順