基于A(yíng)Tmega128的智能安全帽特性檢測儀設計
加入技術(shù)交流群
1 安全帽特性檢測儀的總體設計
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。根據國家標準GB/T2812-2006的要求，安全帽經(jīng)過(guò)預處理后，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(dòng)，在符合正常操作條件的情況下，帽殼無(wú)碎片脫落表示安全帽合格，否則為不合格[2]。本文設計的安全帽特性檢測儀總體上以電動(dòng)機帶動(dòng)電磁鐵在導向圓筒內上下運動(dòng)，利用檢測儀的開(kāi)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，并利用高精度的壓力傳感器對瞬間沖擊壓力進(jìn)行采集，最后將采集的數據輸入到控制器進(jìn)行處理。
2 控制器的硬件電路設計
本文在設計硬件電路時(shí)，以ATmega128單片機為控制核心，外擴有壓力傳感器輸出信號調理電路、A/D轉換電路、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路，以及通信、數據存儲、時(shí)鐘控制、鍵盤(pán)操作和LCD顯示等輔助電路[3-4]?？刂破饔布Y構如圖2所示。其中信號調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)行精確轉換；開(kāi)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的控制。
2.1 信號調理電路的設計
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(shí)傳感器輸出的小信號在傳輸過(guò)程中也容易被噪聲所淹沒(méi)。所以信號在進(jìn)入A/D轉換器之前必須經(jīng)過(guò)必要的放大和濾波才能準確地反映傳感器所輸出的數值。本文選用具有低電壓失調、低失調漂移、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(diǎn)是具有優(yōu)異的共模抑制性能[5]。另外AD8221通過(guò)單一電阻即可在1~1 000的范圍內設置增益。
虛框內為橋式壓力傳感器，傳感器輸出的兩個(gè)共模差分信號經(jīng)過(guò)由電容C1、C2以及4.02 kΩ的電阻構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(dòng)干擾信號，C2抑制兩輸入端的共模干擾；RG為增益電阻，根據AD8221數據手冊，本設計選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換到0~2.5 V范圍內。
2.2 A/D轉換電路
本設計主要采集瞬間的壓力數據，顯然ATmega128單片機內部15 kS/s采樣率的A/D轉換器無(wú)法滿(mǎn)足要求。AD974是ADI公司生產(chǎn)的一種具有200 kS/s通過(guò)率的快速16位ADC[6]。由于信號調理電路輸出的電壓范圍是0~2.5 V，AD974的輸入范圍應選擇為0~5 V。AD974所需要的外部2.5 V基準電壓由AD780提供。AD780是一個(gè)帶隙基準，具有極低的漂移，低起始誤差和低輸出噪聲等特點(diǎn)，能避免外部基準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A(yíng)DC的電路設計時(shí)，還必須把數字地與模擬地分開(kāi)，這樣可消除任何耦合到AD974模擬部分的高頻噪聲[7]。
2.3 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路設計
本設計使用光電形式的限位開(kāi)關(guān)LM18-300PZ，作為電磁鐵的上、下限位。設計時(shí)在限位開(kāi)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；開(kāi)關(guān)量輸出主要用于控制電機正反轉。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(kāi)關(guān)量輸入/輸出控制電路。需要注意的是：開(kāi)關(guān)量輸出在連接電機之前需要做正反轉控制信號互鎖，以免出現邏輯控制錯誤。
3 軟件部分實(shí)現
控制器上電后，首先進(jìn)行系統初始化，然后進(jìn)入用戶(hù)驗證界面；驗證完畢后進(jìn)入主菜單。主菜單界面包括：用戶(hù)名和時(shí)間等設置、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(kāi)關(guān)量輸出控制電機下行到下限位開(kāi)關(guān)位置。當開(kāi)關(guān)量輸入檢測到下限位開(kāi)關(guān)信號后，電動(dòng)機自動(dòng)停止，同時(shí)電磁鐵吸合并提示安裝重錘；安裝完重錘后控制電機上行，當檢測到上限位信號后，可通過(guò)按鍵來(lái)釋放電磁鐵上的重錘，延時(shí)0.1 s后開(kāi)始采集壓力數據。每組采集數據100個(gè)，除去每組的最大值和最小值后再取平均，這樣起到了數字濾波的效果，再從平均值的數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(hù)可通過(guò)選擇來(lái)保存試驗數據。在主菜單中，用戶(hù)可以通過(guò)選擇隨時(shí)查看以往所保存的試驗數據，并可以通過(guò)串口將歷史數據上傳到PC機。
4 實(shí)際應用分析
本系統經(jīng)過(guò)大量的測試試驗驗證，該檢測儀的穩定性好，而且試驗的結果直觀(guān)，所測試的試驗數據均能達到國家標準的要求。
本文采用ATmega128單片機設計的安全帽特性檢測儀具有數據采集速率高、抗干擾能力強、穩定性好、操作安全簡(jiǎn)便、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，比以往的安全帽特性檢測儀更進(jìn)一步實(shí)現了智能化。但該檢測儀所能完成的試驗類(lèi)型較少，在今后的設計中還有待于進(jìn)一步提高與改進(jìn)。
評論