基于ATmega128的智能安全帽特性檢測儀設(shè)計
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1 安全帽特性檢測儀的總體設(shè)計
通常對安全帽特性的檢測主要包括兩部分：耐穿刺性能試驗和抗沖擊性能試驗。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2812-2006的要求，安全帽經(jīng)過預(yù)處理后，其耐穿刺性能試驗和抗沖擊性能試驗分別以3 kg的尖錘和5 kg的重錘距離安全帽頂部1 m處作自由落體運動，在符合正常操作條件的情況下，帽殼無碎片脫落表示安全帽合格，否則為不合格[2]。本文設(shè)計的安全帽特性檢測儀總體上以電動機帶動電磁鐵在導(dǎo)向圓筒內(nèi)上下運動，利用檢測儀的開關(guān)量輸出電路控制電磁鐵上重錘的吸合或釋放與電機的正反轉(zhuǎn)，并利用高精度的壓力傳感器對瞬間沖擊壓力進(jìn)行采集，最后將采集的數(shù)據(jù)輸入到控制器進(jìn)行處理。
2 控制器的硬件電路設(shè)計
本文在設(shè)計硬件電路時，以ATmega128單片機為控制核心，外擴(kuò)有壓力傳感器輸出信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入/輸出電路，以及通信、數(shù)據(jù)存儲、時鐘控制、鍵盤操作和LCD顯示等輔助電路[3-4]。控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中信號調(diào)理電路用于對壓力傳感器GH-4輸出信號的放大和濾波，并利用以AD974為核心的模擬量采集電路進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換；開關(guān)量輸入/輸出電路主要用于升降機上下限位的檢測和電機正反轉(zhuǎn)的控制。
2.1 信號調(diào)理電路的設(shè)計
由于所選的壓力傳感器信號輸出范圍為0.01 mV~20 mV，而AD974模擬輸入范圍為0~5 V，同時傳感器輸出的小信號在傳輸過程中也容易被噪聲所淹沒。所以信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前必須經(jīng)過必要的放大和濾波才能準(zhǔn)確地反映傳感器所輸出的數(shù)值。本文選用具有低電壓失調(diào)、低失調(diào)漂移、低增益漂移和高增益精度等特性的增益可編程高性能儀表放大器AD8221作為壓力信號放大器，其突出優(yōu)點是具有優(yōu)異的共模抑制性能[5]。另外AD8221通過單一電阻即可在1~1 000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。
虛框內(nèi)為橋式壓力傳感器，傳感器輸出的兩個共模差分信號經(jīng)過由電容C1、C2以及4.02 kΩ的電阻構(gòu)成射頻干擾抑制電路進(jìn)行去噪處理。其中電容C1抑制差動干擾信號，C2抑制兩輸入端的共模干擾；RG為增益電阻，根據(jù)AD8221數(shù)據(jù)手冊，本設(shè)計選300 Ω的增益電阻將信號放大100倍左右，即將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換到0~2.5 V范圍內(nèi)。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
本設(shè)計主要采集瞬間的壓力數(shù)據(jù)，顯然ATmega128單片機內(nèi)部15 kS/s采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足要求。AD974是ADI公司生產(chǎn)的一種具有200 kS/s通過率的快速16位ADC[6]。由于信號調(diào)理電路輸出的電壓范圍是0~2.5 V，AD974的輸入范圍應(yīng)選擇為0~5 V。AD974所需要的外部2.5 V基準(zhǔn)電壓由AD780提供。AD780是一個帶隙基準(zhǔn)，具有極低的漂移，低起始誤差和低輸出噪聲等特點，能避免外部基準(zhǔn)電壓的噪聲和溫漂的影響。為了減小電源對ADC的干擾，在VCC與模擬地之間接入0.1μF電容和10 μF極性電容的并聯(lián)電路。此外在ADC的電路設(shè)計時，還必須把數(shù)字地與模擬地分開，這樣可消除任何耦合到AD974模擬部分的高頻噪聲[7]。
2.3 開關(guān)量輸入/輸出電路設(shè)計
本設(shè)計使用光電形式的限位開關(guān)LM18-300PZ，作為電磁鐵的上、下限位。設(shè)計時在限位開關(guān)與單片機端口之間增加光電隔離器，以有效地抑制尖峰脈沖，避免外部干擾噪聲進(jìn)入單片機系統(tǒng)；開關(guān)量輸出主要用于控制電機正反轉(zhuǎn)。在電機上有兩路控制端子，利用中間繼電器控制固態(tài)繼電器進(jìn)行信號切換。光耦隔離的開關(guān)量輸入/輸出控制電路。需要注意的是：開關(guān)量輸出在連接電機之前需要做正反轉(zhuǎn)控制信號互鎖，以免出現(xiàn)邏輯控制錯誤。
3 軟件部分實現(xiàn)
控制器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入用戶驗證界面；驗證完畢后進(jìn)入主菜單。主菜單界面包括：用戶名和時間等設(shè)置、特性試驗菜單和歷史記錄。選擇進(jìn)入試驗界面后，首先利用開關(guān)量輸出控制電機下行到下限位開關(guān)位置。當(dāng)開關(guān)量輸入檢測到下限位開關(guān)信號后，電動機自動停止，同時電磁鐵吸合并提示安裝重錘；安裝完重錘后控制電機上行，當(dāng)檢測到上限位信號后，可通過按鍵來釋放電磁鐵上的重錘，延時0.1 s后開始采集壓力數(shù)據(jù)。每組采集數(shù)據(jù)100個，除去每組的最大值和最小值后再取平均，這樣起到了數(shù)字濾波的效果，再從平均值的數(shù)組中取最大值即是瞬間的壓力值，并將此壓力值顯示在LCD顯示屏；做完一組試驗后，用戶可通過選擇來保存試驗數(shù)據(jù)。在主菜單中，用戶可以通過選擇隨時查看以往所保存的試驗數(shù)據(jù)，并可以通過串口將歷史數(shù)據(jù)上傳到PC機。
4 實際應(yīng)用分析
本系統(tǒng)經(jīng)過大量的測試試驗驗證，該檢測儀的穩(wěn)定性好，而且試驗的結(jié)果直觀，所測試的試驗數(shù)據(jù)均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
本文采用ATmega128單片機設(shè)計的安全帽特性檢測儀具有數(shù)據(jù)采集速率高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、操作安全簡便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，比以往的安全帽特性檢測儀更進(jìn)一步實現(xiàn)了智能化。但該檢測儀所能完成的試驗類型較少，在今后的設(shè)計中還有待于進(jìn)一步提高與改進(jìn)。
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