基于超聲波測距的起重機控制系統設計

王玲?伍鑫

摘 要：針對更換起重機鋼絲繩需要重新調試高度限制器，且手工調試難度大，調試時間長等問題，根據超聲波測距原理，設計了一種起重機控制系統。該系統通過超聲波測距模塊，檢測吊具到小車的距離并無線發送到基站?；緦⒏叨刃畔崟r顯示在液晶顯示屏上。當距離達到規定的閾值高度時，基站觸發報警器，提醒司機安全操作。本系統通信可靠，測距精度高，能有效地輔助司機進行集裝箱的提取，降低事故發生率，提高工作效率。

關鍵詞：超聲波測距；起重機控制；無線射頻；閾值高度；精度高

隨著現代港口物流的飛速發展，起重機一天24小時不間斷得重復升降動作來提取集裝箱，導致起升鋼絲繩的壽命約為半年左右。為了有效防止沖頂、出軌和墜落等設備和人員事故，起升高度限制器必須保證吊具起升到極限位置時，自動切斷起升的動力源[1]。因此，每次更換鋼絲繩時，都需要轉動起升卷筒來輔助更換，并重新調定和調試高度限制器。起重機空載和重載時起升速度不同，因此需要反復不斷地微調空載和重載時高度限制器的凸輪，然后試機各個凸輪的位置是否符合要求。由于微調幅度小，手工調度難度大，調試時間長，直接導致更換鋼絲繩的時間被延長。并且，如果高度限制器的凸輪位置不符合要求，司機容易發生誤判，可能就會對地上作業的工人造成危及生命的傷害。為了保障工作效率和工作質量并保證生產安全，本論文提出了基于超聲波測距的起重機控制系統，實現在更換鋼絲繩時不需要重新調定高度限制器，為港口企業的生產爭取更多的時間成本，贏得更多的經濟效益。

1起重機控制系統總體方案設計

起重機控制系統主要由超聲波測距終端和駕駛室控制中心組成，兩者之間采用ZigBee無線網絡進行通信。安裝在小車上的終端利用超聲波實時檢測吊具與小車之間的距離，并通過ZigBee無線網絡按照一定的時間間隔發送給駕駛室控制中心的基站。基站利用無線射頻接收器接收該信息，進行數據處理，并顯示在液晶顯示屏上。司機可以實時看到集裝箱的高度信息。當集裝箱的提升高度達到規定的閾值時，基站觸發報警器，提醒司機相應的操作。起重機控制系統架構如圖1所示。

2 超聲波測距終端設計

2.1微控制器及外圍電路

超聲波測距終端主要由作為微控制器的CC2530芯片及外圍電路組成，如圖2所示。CC2530是用于2.4GHzIEEE 802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE應用的一個真正的片上系統（System On Chip，SoC）解決方案[2]，其RF發送輸出功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm，抗干擾能力強。

系統電源是12V的鋰電池，可為整個終端提供工作電壓，使其持續工作半年左右。晶振電路用于向CC2530芯片和其他電路（如實時控制電路）提供工作時鐘。復位電路用于使電路恢復到起始狀態。按鍵電路用于對一些參數進行設置。

2.2超聲波測距模塊

超聲波測距模塊選用HC-SR04，主要用于測量吊具與低架橫梁之間的距離，便于起重機司機操作。與現有的采用的激光測量技術相比，超聲波測距結構簡單，性能可靠，抗電磁干擾能力強，容易集成[3]。

微控制器的一個I/O口連接超聲波測距模塊HC-SR04的TRIG引腳，并發出至少10us的高電平信號觸發測距。HC-SR04自動發送8個40KHz的方波，自動檢測是否有反射波信號返回。超聲波在空氣中傳播，當其遇到橫梁時被反射。如果檢測到有信號返回，通過連接ECHO的I/O口輸出一個高電平，同時啟動計時器。當ECHO變為低電平時，關閉計時器。ECHO高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間t。

為了減小時間測量的誤差，運用均值濾波的數據處理方式，將超聲波接收到的信號進行有效的數據處理。高精度溫度傳感器SHT11對環境溫度T進行實時采集，對超聲波接收到的信號進行補償[4]，實現實際波速的校準，減小溫度對測距產生的誤差。應用公式S=（331.5+0.607T）*t/2就可以得到吊具到橫梁的距離S。通過測試，該超聲波測距模塊的測距精度可達到1cm。

2.3射頻模塊

利用超聲波完成測距得到的信號，通過無線射頻模塊反饋給駕駛室控制中心，司機經判斷后決定是否對小車進行操作。射頻內核控制模擬無線模塊，并提供微處理器和無線設備之間的接口，將帶有距離S信息的數據包轉換成微波，無線發送到駕駛室控制中心。發射的頻率f可以進行自動的調節。數據包格式如表1所示。

3 控制中心設計

控制中心主要由基站、液晶顯示屏和報警器組成?；具x用CC2530作為微處理器。基站首先組建ZigBee無線網絡，并對信道、收發地址和I/O口等進行配置。其次，利用無線射頻接收器接收該信息，進行數據處理，并顯示在液晶顯示屏上。當集裝箱的提升高度達到規定的閾值時，基站觸發報警器。

4 結束語

近年來，各種與起重機相關的事故頻繁發生，物品裝卸安全作為一種港口運營安全備受各大港口的關注。減少事故發生的最有效的辦法就是按照規范進行操作?；诔暡y距的起重機控制系統測距精度高，數據傳輸可靠，且無需布線，可持續長時間工作，時刻監測吊具的位置，能夠為司機提供全面、實時的數據，有效地避免對高度限制器的反復調試或者其失靈造成的事故。

參考文獻

[1]曲大勇，馬文杰.對高度限制器失靈引發的起重機事故的思考[J].建筑機械化，2010（02）.

[2]許磊，武新.傳感器技術與應用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]程玉凱，陸倩.基于超聲波測距的液位控制系統設計[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（9）.

[4]趙小強，趙連玉.超聲波測距系統中的溫度補償[J].組合機床與自動化加工技術，2008（12）.

作者簡介

王玲（1988-），女，漢族，重慶璧山人，碩士，助教，研究方向：物聯網、計算機控制

伍鑫（1988-），男，漢族，廣東廣州人，本科，部門主管，研究方向：港口物流、集裝箱調度