基于超声波测距的起重机控制系统设计

王玲?伍鑫

摘 要：针对更换起重机钢丝绳需要重新调试高度限制器，且手工调试难度大，调试时间长等问题，根据超声波测距原理，设计了一种起重机控制系统。该系统通过超声波测距模块，检测吊具到小车的距离并无线发送到基站。基站将高度信息实时显示在液晶显示屏上。当距离达到规定的阈值高度时，基站触发报警器，提醒司机安全操作。本系统通信可靠，测距精度高，能有效地辅助司机进行集装箱的提取，降低事故发生率，提高工作效率。

关键词：超声波测距；起重机控制；无线射频；阈值高度；精度高

随着现代港口物流的飞速发展，起重机一天24小时不间断得重复升降动作来提取集装箱，导致起升钢丝绳的寿命约为半年左右。为了有效防止冲顶、出轨和坠落等设备和人员事故，起升高度限制器必须保证吊具起升到极限位置时，自动切断起升的动力源[1]。因此，每次更换钢丝绳时，都需要转动起升卷筒来辅助更换，并重新调定和调试高度限制器。起重机空载和重载时起升速度不同，因此需要反复不断地微调空载和重载时高度限制器的凸轮，然后试机各个凸轮的位置是否符合要求。由于微调幅度小，手工调度难度大，调试时间长，直接导致更换钢丝绳的时间被延长。并且，如果高度限制器的凸轮位置不符合要求，司机容易发生误判，可能就会对地上作业的工人造成危及生命的伤害。为了保障工作效率和工作质量并保证生产安全，本论文提出了基于超声波测距的起重机控制系统，实现在更换钢丝绳时不需要重新调定高度限制器，为港口企业的生产争取更多的时间成本，赢得更多的经济效益。

1起重机控制系统总体方案设计

起重机控制系统主要由超声波测距终端和驾驶室控制中心组成，两者之间采用ZigBee无线网络进行通信。安装在小车上的终端利用超声波实时检测吊具与小车之间的距离，并通过ZigBee无线网络按照一定的时间间隔发送给驾驶室控制中心的基站。基站利用无线射频接收器接收该信息，进行数据处理，并显示在液晶显示屏上。司机可以实时看到集装箱的高度信息。当集装箱的提升高度达到规定的阈值时，基站触发报警器，提醒司机相应的操作。起重机控制系统架构如图1所示。

2 超声波测距终端设计

2.1微控制器及外围电路

超声波测距终端主要由作为微控制器的CC2530芯片及外围电路组成，如图2所示。CC2530是用于2.4GHzIEEE 802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE应用的一个真正的片上系统（System On Chip，SoC）解决方案[2]，其RF发送输出功率为4.5dBm，接收灵敏度为-97dBm，抗干扰能力强。

系统电源是12V的锂电池，可为整个终端提供工作电压，使其持续工作半年左右。晶振电路用于向CC2530芯片和其他电路（如实时控制电路）提供工作时钟。复位电路用于使电路恢复到起始状态。按键电路用于对一些参数进行设置。

2.2超声波测距模块

超声波测距模块选用HC-SR04，主要用于测量吊具与低架横梁之间的距离，便于起重机司机操作。与现有的采用的激光测量技术相比，超声波测距结构简单，性能可靠，抗电磁干扰能力强，容易集成[3]。

微控制器的一个I/O口连接超声波测距模块HC-SR04的TRIG引脚，并发出至少10us的高电平信号触发测距。HC-SR04自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有反射波信号返回。超声波在空气中传播，当其遇到横梁时被反射。如果检测到有信号返回，通过连接ECHO的I/O口输出一个高电平，同时启动计时器。当ECHO变为低电平时，关闭计时器。ECHO高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间t。

为了减小时间测量的误差，运用均值滤波的数据处理方式，将超声波接收到的信号进行有效的数据处理。高精度温度传感器SHT11对环境温度T进行实时采集，对超声波接收到的信号进行补偿[4]，实现实际波速的校准，减小温度对测距产生的误差。应用公式S=（331.5+0.607T）*t/2就可以得到吊具到横梁的距离S。通过测试，该超声波测距模块的测距精度可达到1cm。

2.3射频模块

利用超声波完成测距得到的信号，通过无线射频模块反馈给驾驶室控制中心，司机经判断后决定是否对小车进行操作。射频内核控制模拟无线模块，并提供微处理器和无线设备之间的接口，将带有距离S信息的数据包转换成微波，无线发送到驾驶室控制中心。发射的频率f可以进行自动的调节。数据包格式如表1所示。

3 控制中心设计

控制中心主要由基站、液晶显示屏和报警器组成。基站选用CC2530作为微处理器。基站首先组建ZigBee无线网络，并对信道、收发地址和I/O口等进行配置。其次，利用无线射频接收器接收该信息，进行数据处理，并显示在液晶显示屏上。当集装箱的提升高度达到规定的阈值时，基站触发报警器。

4 结束语

近年来，各种与起重机相关的事故频繁发生，物品装卸安全作为一种港口运营安全备受各大港口的关注。减少事故发生的最有效的办法就是按照规范进行操作。基于超声波测距的起重机控制系统测距精度高，数据传输可靠，且无需布线，可持续长时间工作，时刻监测吊具的位置，能够为司機提供全面、实时的数据，有效地避免对高度限制器的反复调试或者其失灵造成的事故。

参考文献

[1]曲大勇，马文杰.对高度限制器失灵引发的起重机事故的思考[J].建筑机械化，2010（02）.

[2]许磊，武新.传感器技术与应用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]程玉凯，陆倩.基于超声波测距的液位控制系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2011（9）.

[4]赵小强，赵连玉.超声波测距系统中的温度补偿[J].组合机床与自动化加工技术，2008（12）.

作者简介

王玲（1988-），女，汉族，重庆璧山人，硕士，助教，研究方向：物联网、计算机控制

伍鑫（1988-），男，汉族，广东广州人，本科，部门主管，研究方向：港口物流、集装箱调度