基于超声波测距的起重机控制系统设计

1、    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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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

7、。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

8、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、集装箱调度卷宗201