基于熱釋電技術的行吊安全保護系統

康旭敏 張 慧 李宏偉 王 斐

(山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027)

0 引言

我國每年投入使用的行車多達幾萬臺，其使用范圍遍及機械、鋼鐵、化工、建筑等多種行業領域，隨著吊裝業務的拓展，對吊裝設備安全運行的需求越來越高。

目前，在國內起重機械行業中，普遍采用了各種保護裝置，如超負荷限制器、緊停開關、零位保護、限位保護、短路保護，但都僅從吊車本身的機械及電氣兩方面考慮了安全防護措施，但在實際使用過程中，由于操作人員沒有嚴格執行安全操作規程引發的事故占很大比例(如：起吊過程中行吊或重物下有人員通過)。

為此很有必要設計一種能夠起到物理防呆的行吊安全防護裝置。通過檢測單元時刻檢測行車的正下方，使行車在吊載過程中重物下有人員通過而引發的致傷、致殘事故，最大限度的確保了吊裝過程中人員的生命安全。

1 原理介紹

吊裝的安全操作規程中要求不得將吊裝在其他作業者頭上通過，且注意作業中吊載附近是否有其他作業人員，以防出現沖撞事故。安全操作規范人人都知道，但在實際操作過程中，總有人為了操作方便或粗心不遵守操作規程，跑到吊裝作業的危險區域。如圖1所示，為了改進現有行車安全保護裝置，給吊裝設備的安全運行提供可靠的支持，通過在小車下方安裝檢測單元監控行車在吊載過程中正下方是否有人員通過，當有人員通過時發出聲光報警以提醒作業者，并通過無線電通知控制單元利用單片機控制行車急停，使得行車在作業過程中避免由于作業人員粗心而造成砸死或砸傷的事故，滿足起重設備安全操作規范。

從圖1中可以看出，要達到安全防護要求我們需要設計一種檢測單元可以檢測出小車下方危險區域內有人員通過。在此，我們選用熱釋電紅外技術，并利用無線電傳技術在檢測單元與控制單元之間傳輸數據。

該系統主要基于熱釋電紅外傳感器(PIR)對人體所發出的紅外線波段(8 μm～12 μm)敏感的原理而設計的。通過將2只熱釋電敏感元件反極性串聯，可以抵消環境背景熱源的干擾，也可以抑制自身溫度升高而產生的干擾。為了提高傳感器的靈敏度及探測距離，在傳感器前面安裝一個菲涅爾透鏡。PIR對人體的敏感程度還和人體運動的方向關系很大。該傳感器對于徑向移動反應最不敏感，而對于橫切方向移動則最為敏感，如圖2所示。

根據實際情況，行車下的“危險區域”我們一般選定為直徑為3 m～4 m的圓形，行車高度一般為10 m左右。所以將熱釋電紅外傳感器安放于小車的正下面，人在地面上移動正好是傳感器的敏感方向，為了達到檢測效果，在熱釋電紅外傳感器前方安置特制的菲涅爾透鏡，使其探測距離達到10 m以上，且探測角度在15°～20°之間，正好覆蓋了行車下的“危險區域”。

2 系統總體方案設計

2.1 系統硬件設計

該系統在硬件設計上分為檢測單元和控制單元兩部分。檢測單元安裝在行吊電動葫蘆下方(見圖1)，控制單元主要依靠在行吊遙控器上增加控制附件進行嵌入式開發實現功能。

2.1.1檢測單元

檢測單元主要由外殼、AC/DC電源模塊、熱釋電紅外傳感器(PIR)、信號調理電路、DSP控制器、聲光報警電路、無線電傳等組成。檢測單元從行吊供電系統中窺電，在設計時首先考慮熱釋電紅外傳感器檢測到有人體目標時輸出的信號十分微弱(mV級)，有效信號將淹沒在噪聲之中，因此，必須設計具有放大、去噪功能的信號調理電路。處理器采用TMS320F2812，它是Ti公司推出的32位定點DSP芯片，有較強的運行速度及數據處理能力，內部具有12位分辨率的ADC模塊，能夠滿足系統的精度要求。

該系統檢測單元的硬件原理如圖3所示，首先將熱釋電紅外傳感器輸出的微弱模擬信號經過放大、濾波電路變換為0 V～3 V，以滿足DSP2812的ADC模塊對信號的電壓要求，處理器經過運算后發現有人出現在危險區域時將驅動報警電路發出聲光報警，并通過SCI串口將急停信號發送給無線電，通過無線電將急停信號發送給控制單元。由于該檢測單元安裝工作在行車下面，周圍環境較復雜，為防止程序跑飛，在系統中使用X5043外部看門狗電路對檢測單元進行監察，通過對X5043狀態寄存器的狀態位WD1與WD0置0，設置看門狗復位周期為14 s，確保程序在跑飛后可以復位到系統初始狀態。

2.1.2控制單元

由于有些操作確實需要有人員在行車正下方才能操作，如吊裝最終的精確對準等特殊作業，所以我們在控制單元上設計了開關供使用者根據實際應用需要進行選擇，無特殊作業時開關打開即可開啟檢測，當作業確實需要有人在行車正下方時，按下開關以暫時暫停“危險區域”的檢測。

控制單元安裝在行車遙控器上，主要由無線電傳、MCU單片系統、輸入輸出電路、DC/DC模塊組成。原理如圖4所示，用戶通過面板開關選擇是否開啟檢測單元對危險區域的檢測功能，處理器通過SCI串口利用無線電臺與檢測單元進行指令傳輸。

2.2 系統軟件設計

檢測單元的軟件主要解決和控制單元的通信，依據控制指令完成相應的功能，當收到暫停“危險區域”檢測的命令時，程序就停止檢測與判斷，循環等待接受指令，直到收到開啟“危險區域”檢測指令，DSP對傳感器經過信號調理電路的輸出電壓進行采樣并結算判斷，當輸出電壓的峰值變化達到經驗值時判斷行車下方有人員通過，驅動報警電路發出聲光報警，同時通過無線電發出急停命令給控制單元，其流程如圖5所示。

控制單元主要供用戶選擇是否進行“危險區域”檢測并發出啟動檢測命令，在安全檢測模式下，自動接收檢測單元傳來的信號，在有違反安全操作規程動作發生時自動鎖死遙控器，使行車停止作業，以避免發生危險，流程如圖6所示。

3 實施過程及效果

檢測單元和控制單元需分別安裝在行車正下方和行車遙控器上，無法采用有線傳輸方式，所以兩個單元之間的通信采用無線電傳的方式。此系統中我們選用友訊達公司的FC-201/B數傳電臺，該電臺體積小、功率大，滿足實際環境應用需要。

測試系統效果時，將檢測單元安裝在10 m高房頂，使熱釋電傳感器的探測窗口朝正下方，試驗者以1.0 m/s～1.5 m/s的正常步速從不同方向進入圓形檢測區域，圖7為危險區域檢測示意圖。

表1為試驗者作為探測目標時從不同方向進入檢測單元檢測區域引起系統報警時目標距離圓心的距離，我們做了5次試驗，試驗結果如表1所示。

表1 系統報警時目標距離圓心距離 m

從表1中可以看出，目標從不同方向進入檢測區域后，一般在距圓心1.7 m～1.9 m之間系統就會報警。

表2為目標在檢測區域內引起系統報警后，目標再從不同方向離開檢測區域后系統報警自動取消的延時相應時間，我們同樣做了5次試驗，試驗結果如表2所示。

表2 目標離開后系統報警自動取消的延時相應時間 s

從表2中可以看出，目標離開檢測單元的探測區域后，系統在約1 s的延時后取消報警，恢復行車的正常運行。

4 結語

該套安全防護系統有別于以往的行車保護裝置，首次關注行車重物下有無人員通過的安全問題，利用熱釋電可以感應人體的技術，設計了該套行吊安全保護裝置。原理樣機經過初步試驗運行可靠，能夠滿足實際應用要求，具有一定的適應性。