基于單片機的高空作業防墜落安全輔助設備的設計

院冬珠 郭磊 王宏

摘 要：該防墜空安全帶以STC12C5A60SA單片機為核心，采用zigbee無線網絡技術進行無線連接，具有抗干擾能力強、自身低復雜度、低能耗、低價格等特點。該產品的STC12C5A60SA單片機完成數據采集、處理，并通過Zigbee無線網絡技術傳輸到主控室，并報警。主控室根據報警信號可以迅速找到被困人員，節約了搜救時間。

關鍵詞：STC12C5A60SA單片機；Zigbee無線網絡技術

1 引言

該產品通過重力加速度傳感器對人的運動狀態實時采集并分析，當檢測到人為自由落體狀態時，驅動電磁裝置，控制多條保護繩發散彈出，在建筑工地等復雜的場合，保護繩極易掛在施工架上，可有效避免墜空事故發生。

2 研究內容及工作原理

研究的主要內容包括以下幾個方面（1）采用定制的特殊彈簧作為動力，通過單片機控制系統釋放出安全繩與磁性鉤子。（2）通過Zigbee網絡通信技術將單片機發出的信號傳送到主控室，然后工作人員根據報警信號找到被困人員。（3）傳感器方面使用了重力加速度傳感器，實時反映人的運動狀態，響應速度快，實用性強，可靠性高。在安全帶控制器方面本系統以STC12C5A60S2 單片機為核心，采用精密型六軸傳感器MPU6050，RF24L01檢測到墜落狀態后啟動彈射裝置彈出保護繩。在特殊電源模塊方面采用具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能的 5A多類型電池充電管理集成電路CN3722 的充電。在恒壓充電模式，輸出很小的功率，也能對電池充電。在智能反應控制系統方面，在眾多的51系列單片機中，要算國內STC 公司的1T增強系列更具有競爭力，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。當工人墜落時，墜落時間超過0.5秒時，系統將自動判斷并彈出安全繩以勾住腳手架實現救生功能。在多軸加速度計模塊上采用重力傳感器是根據壓電效應的原理來工作的。由于加速度產生某個介質產生變形，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。

3救生繩彈出與組網互救部分

系統采用STC12C5A60S2為主控制器，通過重力加速度傳感器檢測到人為自由落體狀態時，驅動電磁裝置彈出保護繩，在建筑工地等復雜的場合，保護繩極易掛在施工架上，可效避免墜空事故發生。當裝置響應后通過無線傳輸NRF24L01傳輸到主控室，啟動報警，主控室根據安全帶編號找到被困人員。

（1）救生繩彈出

采用定制的特殊彈簧作為動力，通過單片機控制系統釋放出安全繩與磁性鉤子。

（2）組網互救

Zigbee是部署無線傳感器網絡的新技術。它是一種短距離、低速率無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和BlueTooth之間的技術提案。Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。

該系統通過Zigbee網絡通信技術將單片機發出的信號傳送到主控室，然后工作人員根據報警信號找到被困人員。

（3）監控控制器

當裝置響應后通過無線傳輸NRF24L01傳輸到主控室，啟動報警，主控室根據安全帶編號找到被困人員，可有效的減少搜救時間。

4系統設計

4.1系統硬件設計

本系統以STC12C5A60S2 單片機為核心，采用精密型三軸傳感器629A61，將信息傳輸到單片機中，在通信方面采用Zigbee技術，Zigbee是低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。方便組網，空曠地帶通信距離可達200m。單片機通過采集信息后將數據傳送到主控室，然后工作人員根據信息找到被困人員，減少了搜救時間，硬件總體框圖如圖1所示：

4.2系統軟件設計

主函數開始先進行各模塊初始化，之后通過加速度檢測，判斷墜落時間是否超過0.5S，如果超過0.5S則彈出救生繩同時通過ZigBee網絡技術傳送給主控室；同時向附近工友發出求救信號，然后主控室根據報警信號搜救被困人員。

5實驗結果

如下圖為我們所制作的實物圖，5個磁性鉤子均衡分布，當檢測到人為自由落體狀態時，單片機驅動彈射裝置，控制多條保護繩發散出，可以從各個方向勾住腳手架。

參考文獻：

[1] 林立. 單片機原理及應用——基于Proteus和Keil C. 北京：電子工業出版社， 2010

[2] 劉炳文.Visual Basic 程序設計教程（第四版）. 北京：清華大學出版社，2009

[3] 孫傳友 孫曉斌. 測感技術基礎（第二版）. 北京：電子工業出版社，2007

[4] 張義和 王敏男 許宏昌. 例說51單片機（C語言版）（第三版）. 北京：人民郵電出版社，2008