基于ATmega32的便攜式車門壓力測試儀設(shè)計

摘要：車門壓力測試儀為便攜手持式結(jié)構(gòu)，采用專用壓力測試傳感器和測試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測，及車門防夾保護功能檢測。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時間、試驗項目，系統(tǒng)可以自動有效的完成試驗要求并自動記錄試驗結(jié)果生成報表。

車輛車門尤其是列車等高速運行車輛的車門是一個安全性能要求較高的產(chǎn)品，其各項性能指標必須保持在一個相對安全的取值范圍內(nèi)，以保證車輛的安全運行。這不僅要求制造廠家在產(chǎn)品制造過程中需要測試這些參數(shù)，同時在產(chǎn)品投入使用后的檢修保養(yǎng)過程中也需要檢測這些參數(shù)，做為產(chǎn)品的安全使用提供必要的參考信息;長期以來，由于我國對檢測儀器的研制重視不夠，通常的檢測手段主要是靠檢測人員借助多種手工工具輔助進行。

目前對于車門壓力的檢測方式多靠檢測人員借助手工工具進行檢測，這種檢測方式的主要缺陷是：1)測試裝置笨重，攜帶及操作不便;2)測試數(shù)據(jù)必須手動記錄，信息的交流不便;3)測試適靠人工憑經(jīng)驗進行，測試精度沒有保障;4)安全性差;5)測試的效率低。

本文研制的便攜式車門壓力檢測儀，采用專用壓力測試傳感器和測試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測，及車門防夾保護功能檢測。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時間、試驗項目，系統(tǒng)可以自動有效的完成試驗要求并自動記錄試驗結(jié)果生成報表。設(shè)備采用USB方式作業(yè)轉(zhuǎn)存接口。

1 總體方案

本系統(tǒng)由ATmega32作為主控板的主控芯片。設(shè)計包括壓力采集系統(tǒng)、控制接口與顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、以及異常報警模塊。其主系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 ATmega32簡介

Atmega32單片機是一款基于AVR R ISC、低功耗COMS的8位單片機，由于在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega32單片機可以達到接近16M IPS/MHz的性能，它的主要性能如下：

1)高性能，低功耗的8位AVR微控制器;

2)先進的R ISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強大的指令，大部分在單時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，片內(nèi)帶有執(zhí)行時間為兩個時鐘周期的硬件乘法器;

3)片內(nèi)帶32K字節(jié)的在線自編程FLASH(擦寫次數(shù)1 000次)，1024個字節(jié)的EEPROM(擦寫次數(shù)100 000次)，2K字節(jié)內(nèi)部SRAM，并具有程序加密功能;

4)兩個帶預(yù)分頻器和一種比較模式的8位定時/計數(shù)器，一個帶預(yù)分頻器和比較模式，捕獲模式的16位定時/計數(shù)器，具有計數(shù)功能，且有獨立振蕩器的實時時鐘(RTC);4路PWM通道;8通道的A/D轉(zhuǎn)換器，其中包括：6路10位轉(zhuǎn)換精度的通道，2路8位轉(zhuǎn)換精度的通道;帶片內(nèi)晶振的可編程看門狗定時器;片內(nèi)模擬比較器;

5)典型的微控制器特性：上電復(fù)位和可編程的欠電壓檢測;在內(nèi)部可校準的RC振蕩器;外部和內(nèi)部的中斷源共18個;

6)高速超低功耗。

在ATMEL公司的單片機家族中，ATmega32是一個非常特殊的單片機，它采用Harvard結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，高速低功耗，低成本，非常適合用來設(shè)計便攜式車門壓力檢測儀裝置。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳感器介紹

壓力傳感器采用量程500N的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該傳感器采用S型彈性元件結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的自然性，精度高，抗偏載側(cè)向能力強;

測量精度 1‰

輸出電壓 DC 0～4.5 V

工作電壓 DC 5 V

線 長 200 mm

3.2 硬件電路設(shè)計

3.2.1 信號調(diào)理電路

采集系統(tǒng)主要是采集車門壓力信息，把車門壓力值經(jīng)過信號處理放大后送入MCU數(shù)字化，以供作為判斷壓力是否屬于安全壓力范圍和異常報警依據(jù)。信號調(diào)理電路如圖2。

3.2.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是為各個系統(tǒng)供電，裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC—DC開關(guān)電源，DC—DC開關(guān)電源具有極寬的輸入范圍。所有電源均設(shè)計有保護電路。這樣的設(shè)計有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2.3 人機交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線型，具有全硬件實現(xiàn)。不死機，穩(wěn)定可靠。其液晶模塊圖如圖3所示。

3.2.4 存儲器

存儲采用24C32(32K Bit存儲容量)，在優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲格式后可以保存數(shù)據(jù)1 000組，滿足現(xiàn)場使用的需求。存儲器采用IIC兩線制接口，節(jié)省單片機資源。如圖4所示。

3.3 軟件設(shè)計

ATmega32在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的標準語言，它既有普通高級語言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點。本設(shè)計是用C語言編程實現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

車門壓力測試儀最重要的數(shù)據(jù)來源就是車門壓力。車門壓力通過專用的車門壓力傳感器，將壓力信號轉(zhuǎn)化為弱電信號。單片機對弱電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的采樣隨著車門的壓力波動很大，這時濾波程序設(shè)計的好壞就非常重要。下面介紹下程序里的濾波部分：

濾波的方法有很多種，幾種嵌入式常用的濾波方法為：中位值濾波，算術(shù)平均濾波，滑動濾波等。

在試過了幾種濾波算法的效果之后，我們采用了滑動濾波，程序代碼如下：