基于超聲波測距的起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王玲?伍鑫

摘 要：針對(duì)更換起重機(jī)鋼絲繩需要重新調(diào)試高度限制器，且手工調(diào)試難度大，調(diào)試時(shí)間長等問題，根據(jù)超聲波測距原理，設(shè)計(jì)了一種起重機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過超聲波測距模塊，檢測吊具到小車的距離并無線發(fā)送到基站?；緦⒏叨刃畔?shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上。當(dāng)距離達(dá)到規(guī)定的閾值高度時(shí)，基站觸發(fā)報(bào)警器，提醒司機(jī)安全操作。本系統(tǒng)通信可靠，測距精度高，能有效地輔助司機(jī)進(jìn)行集裝箱的提取，降低事故發(fā)生率，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；起重機(jī)控制；無線射頻；閾值高度；精度高

隨著現(xiàn)代港口物流的飛速發(fā)展，起重機(jī)一天24小時(shí)不間斷得重復(fù)升降動(dòng)作來提取集裝箱，導(dǎo)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(shè)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(shí)，自動(dòng)切斷起升的動(dòng)力源[1]。因此，每次更換鋼絲繩時(shí)，都需要轉(zhuǎn)動(dòng)起升卷筒來輔助更換，并重新調(diào)定和調(diào)試高度限制器。起重機(jī)空載和重載時(shí)起升速度不同，因此需要反復(fù)不斷地微調(diào)空載和重載時(shí)高度限制器的凸輪，然后試機(jī)各個(gè)凸輪的位置是否符合要求。由于微調(diào)幅度小，手工調(diào)度難度大，調(diào)試時(shí)間長，直接導(dǎo)致更換鋼絲繩的時(shí)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(jī)容易發(fā)生誤判，可能就會(huì)對(duì)地上作業(yè)的工人造成危及生命的傷害。為了保障工作效率和工作質(zhì)量并保證生產(chǎn)安全，本論文提出了基于超聲波測距的起重機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在更換鋼絲繩時(shí)不需要重新調(diào)定高度限制器，為港口企業(yè)的生產(chǎn)爭取更多的時(shí)間成本，贏得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1起重機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

起重機(jī)控制系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。安裝在小車上的終端利用超聲波實(shí)時(shí)檢測吊具與小車之間的距離，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)按照一定的時(shí)間間隔發(fā)送給駕駛室控制中心的基站?；纠脽o線射頻接收器接收該信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并顯示在液晶顯示屏上。司機(jī)可以實(shí)時(shí)看到集裝箱的高度信息。當(dāng)集裝箱的提升高度達(dá)到規(guī)定的閾值時(shí)，基站觸發(fā)報(bào)警器，提醒司機(jī)相應(yīng)的操作。起重機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 超聲波測距終端設(shè)計(jì)

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(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（System On Chip，SoC）解決方案[2]，其RF發(fā)送輸出功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm，抗干擾能力強(qiáng)。

系統(tǒng)電源是12V的鋰電池，可為整個(gè)終端提供工作電壓，使其持續(xù)工作半年左右。晶振電路用于向CC2530芯片和其他電路（如實(shí)時(shí)控制電路）提供工作時(shí)鐘。復(fù)位電路用于使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。按鍵電路用于對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jī)司機(jī)操作。與現(xiàn)有的采用的激光測量技術(shù)相比，超聲波測距結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，抗電磁干擾能力強(qiáng)，容易集成[3]。

微控制器的一個(gè)I/O口連接超聲波測距模塊HC-SR04的TRIG引腳，并發(fā)出至少10us的高電平信號(hào)觸發(fā)測距。HC-SR04自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測是否有反射波信號(hào)返回。超聲波在空氣中傳播，當(dāng)其遇到橫梁時(shí)被反射。如果檢測到有信號(hào)返回，通過連接ECHO的I/O口輸出一個(gè)高電平，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)ECHO變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器。ECHO高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間t。

為了減小時(shí)間測量的誤差，運(yùn)用均值濾波的數(shù)據(jù)處理方式，將超聲波接收到的信號(hào)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理。高精度溫度傳感器SHT11對(duì)環(huán)境溫度T進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)超聲波接收到的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償[4]，實(shí)現(xiàn)實(shí)際波速的校準(zhǔn)，減小溫度對(duì)測距產(chǎn)生的誤差。應(yīng)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(dá)到1cm。

2.3射頻模塊

利用超聲波完成測距得到的信號(hào)，通過無線射頻模塊反饋給駕駛室控制中心，司機(jī)經(jīng)判斷后決定是否對(duì)小車進(jìn)行操作。射頻內(nèi)核控制模擬無線模塊，并提供微處理器和無線設(shè)備之間的接口，將帶有距離S信息的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成微波，無線發(fā)送到駕駛室控制中心。發(fā)射的頻率f可以進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

3 控制中心設(shè)計(jì)

控制中心主要由基站、液晶顯示屏和報(bào)警器組成?；具x用CC2530作為微處理器?；臼紫冉M建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)信道、收發(fā)地址和I/O口等進(jìn)行配置。其次，利用無線射頻接收器接收該信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并顯示在液晶顯示屏上。當(dāng)集裝箱的提升高度達(dá)到規(guī)定的閾值時(shí)，基站觸發(fā)報(bào)警器。

4 結(jié)束語

近年來，各種與起重機(jī)相關(guān)的事故頻繁發(fā)生，物品裝卸安全作為一種港口運(yùn)營安全備受各大港口的關(guān)注。減少事故發(fā)生的最有效的辦法就是按照規(guī)范進(jìn)行操作?；诔暡y距的起重機(jī)控制系統(tǒng)測距精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，且無需布線，可持續(xù)長時(shí)間工作，時(shí)刻監(jiān)測吊具的位置，能夠?yàn)樗緳C(jī)提供全面、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，有效地避免對(duì)高度限制器的反復(fù)調(diào)試或者其失靈造成的事故。

參考文獻(xiàn)

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

[2]許磊，武新.傳感器技術(shù)與應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011（9）.

[4]趙小強(qiáng)，趙連玉.超聲波測距系統(tǒng)中的溫度補(bǔ)償[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，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(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)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(diào)度