基于雙ATmega128的安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

劉明亮，孫來軍，葉光忠

（黑龍江大學(xué) 黑龍江省電子工程高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080）

鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶是建筑工地的重要防護(hù)措施，直接影響到建筑工人的人身安全。通常情況下，安檢部門使用安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測其性能，即對其施加一定數(shù)值的拉力或壓力，然后測出被測材料的形變程度或破壞程度是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)，判斷被測材料是否合格[1-2]。目前市場上的試驗(yàn)機(jī)種類很多，比如：JJ-909A、WDW532、YES312等型號的試驗(yàn)機(jī)，這些試驗(yàn)機(jī)能夠完成一些簡單的檢測試驗(yàn)，并達(dá)到一定的自動(dòng)化程度，但同時(shí)也存在一些問題：1）完成的試驗(yàn)種類較為單一，即每一類材料的測試都需要專門的試驗(yàn)機(jī)完成，檢測多種材料的性能就需要多臺不同的試驗(yàn)機(jī)完成，這樣不僅占用了大量的空間，同時(shí)還需要大量的成本投入；2）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法過于簡單，而且操作復(fù)雜，帶來大量不必要的人力、物力的浪費(fèi)。

針對目前試驗(yàn)機(jī)存在的上述問題，提出一種新型安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該方案以雙ATmega128單片機(jī)為控制核心，通過外擴(kuò)不同的檢測控制模塊將鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶等特性檢測融為一體。該試驗(yàn)機(jī)可以完成直角扣件抗滑、直角扣件抗破壞、直角扣件扭轉(zhuǎn)剛度、旋轉(zhuǎn)扣件抗滑、旋轉(zhuǎn)扣件抗破壞、對接扣件抗拉、底座抗破壞、安全帽側(cè)向剛性自動(dòng)檢測試驗(yàn)和安全網(wǎng)、安全帶性能檢測相關(guān)試驗(yàn)等15種安全檢測試驗(yàn)[3]。經(jīng)過大量的試驗(yàn)表明：該安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)具有檢測過程簡單、操作方便、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)多種材料特性檢測的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了檢測過程的數(shù)字化和自動(dòng)化，比以往的試驗(yàn)機(jī)具有更大的推廣價(jià)值。

1 試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/15831-2006、GB/16909-1997和 GB/6096-85的要求，鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶的測試都是利用安檢設(shè)備對被測材料施加一定值的壓力或拉力后，測出被測材料相應(yīng)點(diǎn)的位移值是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，或觀察被測材料是否被破壞，判斷被測材料是否合格。本文所提出的安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)總體上以控制器控制三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)對被測材料施加壓力或拉力，利用高精度的拉/壓力和位移傳感器檢測力值和位移值，并以此作為判斷的依據(jù)。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design program

圖1中，選用ABB.SEMIKRON公司的A100-3022變頻器作為電動(dòng)機(jī)的控制單元，以JLBZ-2T拉/壓力傳感器對被測材料的拉/壓力進(jìn)行采集，并且選用兩塊WBD-30百分表作為位移傳感器檢測兩路位移量。

2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

控制器是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的控制核心，由于控制、檢測任務(wù)較多，使用單一單片機(jī)難以滿足實(shí)時(shí)性的要求，控制器是以雙ATmega128為控制核心，外擴(kuò)有信號調(diào)理電路、模擬量采集電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入/輸出電路，以及數(shù)據(jù)存儲、時(shí)鐘控制、鍵盤操作和LCD顯示等輔助電路，控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2中雙ATmega128之間通過高速雙端口RAMIDT7130實(shí)現(xiàn)通信和信息共享[4]；D/A轉(zhuǎn)換電路主要用于輸出模擬電壓信號以控制變頻器的頻率，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和拉/壓力大小的控制；信號調(diào)理電路用于對拉/壓力傳感器和位移傳感器輸出信號的放大和濾波，并利用以AD7718為核心的模擬量采集電路進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)換[5]；開關(guān)量輸入/輸出電路主要用于升降機(jī)構(gòu)上下限位的檢測和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

圖2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware circuit design of controller

2.1 雙ATmega128通信模塊

由于該安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成的試驗(yàn)種類較多，僅靠1片ATmega128單片機(jī)無法滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使用2片ATmega128單片機(jī)分工完成各項(xiàng)功能，其中主ATmega128單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入判斷和輸出控制，及數(shù)據(jù)存儲、串行通信、時(shí)鐘控制、鍵盤操作和液晶顯示等輔助功能[6-7]；從ATmega128單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)A/D采樣控制、D/A轉(zhuǎn)換輸出控制以及壓力和位移傳感器數(shù)據(jù)的換算等。主從兩單片機(jī)通過IDT7130實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)共享。IDT7130是1 K×8位高速雙端口靜態(tài)RAM，它的兩個(gè)端口可獨(dú)立訪問存儲器內(nèi)的任意存儲單元。具體應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 雙ATmega128通信模塊Fig.3 Double ATmega128s communication module

2.2 信號調(diào)理電路

本系統(tǒng)主要采集的模擬信號是持續(xù)遞增的拉/壓力傳感器輸出信號和兩路位移傳感器輸出信號，拉/壓力傳感器的輸出信號范圍為0.015～20 mV，位移傳感輸出的數(shù)據(jù)范圍是0.01～15 mV。由于 AD7718能轉(zhuǎn)換的信號范圍是20 mV～2.56 V，信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前必須經(jīng)過放大和濾波才能準(zhǔn)確地反映傳感器所輸出的數(shù)值。本設(shè)計(jì)選用AD8221對傳感器信號進(jìn)行放大。AD8221是具有低失調(diào)電壓、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，其突出優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的共模抑制性能。AD8221通過單一電阻即可實(shí)現(xiàn)1～1000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 AD8221放大電路Fig.4 Amplify circuit of AD8221

圖4中，RG為增益電阻，IN1和IN2為傳感器輸出的2個(gè)差分信號，電容C1、C2以及4.02 kΩ電阻構(gòu)成射頻干擾抑制電路，其中電容C1抑制的是差動(dòng)干擾信號，C2抑制的是兩輸入端的共模干擾；根據(jù)AD8221數(shù)據(jù)手冊，選用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)。在本設(shè)計(jì)中，共使用3路放大電路，分別對拉/壓力傳感器和2路位移傳感器輸出信號調(diào)理。

2.3 模擬量采集電路

本系統(tǒng)對于模擬信號采集精度的要求很高，ATmega128單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足。根據(jù)要求選用美國ADI公司的低噪聲、高分辨率和基于∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7718。該器件8/10通道單端輸入，具有增益可編程。本設(shè)計(jì)中，傳感器輸出信號經(jīng)過放大濾波等處理后，可看作為差分信號，因此通過軟件配置AD7718為8通道單端輸入模式。設(shè)計(jì)時(shí)使用低溫漂和低噪聲的AD780輸出2.5 V電壓作為參考電源。此外AD7718在使用時(shí)必須將模擬地和數(shù)字地隔離開來，這樣可消除任何耦合到AD7718模擬部分的高頻噪聲，其電路如圖5所示。

圖5 A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.5 A/D，D/A converter circuit

2.4 變頻器控制模塊

根據(jù)不同試驗(yàn)的要求，需要控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制變頻器來實(shí)現(xiàn)這些功能。設(shè)計(jì)中使用開關(guān)量輸出控制變頻器A100-3022的外部端子FWD、REV來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，將AD5324的輸出經(jīng)電壓跟隨處理后連接到變頻器的外部輸入端子+5 V IN，利用該0～5 V之間的電壓信號控制變頻器的輸出頻率。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 變頻器控制模塊Fig.6 Control module of frequency converter

2.4.1 D/A轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)不同的試驗(yàn)，對電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度有嚴(yán)格的要求，利用變頻器的面板的按鍵操作或者外部電位器對變頻器的頻率進(jìn)行給定，這種對頻率的改變實(shí)時(shí)性較差，而且也無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。本設(shè)計(jì)選用AD5324輸出0～5 V電壓信號作為頻率調(diào)整的信號。AD5324為12位的D/A轉(zhuǎn)換器，0～REF的模擬輸出范圍。另外，在AD5324的輸出端增加一路由LM324構(gòu)成的電壓跟隨電路，用于增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

2.4.2 開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)機(jī)使用機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的限位開關(guān)ME-8104，作為升降機(jī)構(gòu)的上、下限位。設(shè)計(jì)時(shí)在限位開關(guān)與單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)；開關(guān)量輸出主要用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在變頻器上有2路控制端子，直接用繼電器信號輸入即可。光耦隔離的開關(guān)量輸入輸出控制電路如圖7所示。不過需要注意的是：開關(guān)量輸出在連接到變頻器之前需要做正反轉(zhuǎn)控制信號互鎖，以免出現(xiàn)邏輯控制錯(cuò)誤。

圖7 開關(guān)量輸入輸出電路Fig.7 Digital input/output circuit of switching value

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即主、從ATmega128單片機(jī)兩部分的軟件設(shè)計(jì)[8]。主單片機(jī)上電后，首先初始化，然后進(jìn)入用戶驗(yàn)證界面；在試驗(yàn)的主菜單界面中包括：用戶名和時(shí)間等設(shè)置、具體的試驗(yàn)菜單和歷史記錄。在試驗(yàn)界面中完成一個(gè)試驗(yàn)后，用戶可選擇是否保存試驗(yàn)的數(shù)據(jù)；歷史記錄界面里可以讀取以往所保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)外部存儲器存滿數(shù)據(jù)后，用戶可以通過串口連接到PC機(jī)進(jìn)行打印。在每個(gè)界面的下方都有操作提示，并且有時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。主單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)流程如圖8（a）所示。從ATmega128單片機(jī)上電后，首先初始化，然后進(jìn)入接收指令狀態(tài)。從單片機(jī)根據(jù)主ATmega128單片機(jī)發(fā)送來的指令分別進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換操作，并將處理的結(jié)果或轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送給主ATmega128單片機(jī)。從ATmega128單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖 8（b）所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.8 Flow chart of system software design

4 實(shí)際應(yīng)用分析

本系統(tǒng)經(jīng)過大量的測試試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性好，而且試驗(yàn)的結(jié)果直觀，所測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。使用試驗(yàn)機(jī)時(shí)可以直接按照液晶屏幕上的提示進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作。部分操作界面如圖9所示。以直角扣件抗滑試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果為例，對多個(gè)不同直角扣件分別做抗滑試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖9 試驗(yàn)機(jī)部分操作界面Fig.9 Interface of testing machine

表1 直角扣件抗滑試驗(yàn)Tab.1 Test of right-angle fastener slide

5 結(jié)束語

采用ATmega128單片機(jī)設(shè)計(jì)的安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)具有數(shù)據(jù)采集精度高、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠等特點(diǎn)。相對于以往的試驗(yàn)機(jī)，所設(shè)計(jì)的力學(xué)安檢試驗(yàn)機(jī)具有相對成本低、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、操作安全、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)一些機(jī)械布局不太合理等缺點(diǎn)，在今后設(shè)計(jì)中有待于進(jìn)一步的升級改進(jìn)和提高。

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