基于ATmega128的智能安全帽特性檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

劉明亮，孫來(lái)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)

安全帽作為工人保護(hù)頭頂部受到傷害的重要防護(hù)用品，其質(zhì)量好壞，直接影響生命安全。通常情況下，安檢部門對(duì)安全帽特性的檢測(cè)主要是測(cè)試其抗沖擊性能和耐穿刺性能，即安全帽經(jīng)過(guò)紫外線等特殊處理后，利用檢測(cè)儀上的重錘或尖錘對(duì)安全帽施加瞬間的沖擊力后，觀察安全帽是否損壞來(lái)判斷合格與否[1]。目前市場(chǎng)上有多種安全帽特性檢測(cè)儀，如 AST-8910、BAQM-A、YJ-8627等型號(hào)的檢測(cè)儀。雖然這些檢測(cè)儀都能簡(jiǎn)單地對(duì)安全帽的特性進(jìn)行測(cè)試，而且都能達(dá)到一定的自動(dòng)化程度，但同時(shí)也存在著一些問(wèn)題：(1)檢測(cè)儀無(wú)法對(duì)瞬間壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確地采集；(2)重錘或尖錘的下落方式不是嚴(yán)格的自由落體運(yùn)動(dòng)，由此檢測(cè)的結(jié)果無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求；(3)試驗(yàn)操作過(guò)程較為復(fù)雜，同時(shí)在操作中存在一定的安全隱患，容易對(duì)操作員或設(shè)備帶來(lái)不必要的傷害。針對(duì)這些問(wèn)題，本文以AVR ATmega128單片機(jī)為控制核心，通過(guò)各外擴(kuò)功能模塊構(gòu)成智能化的安全帽特性檢測(cè)儀。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)表明：該安全帽特性檢測(cè)儀具有試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、操作安全方便和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了安全帽特性檢測(cè)過(guò)程的智能化與自動(dòng)化。

1 安全帽特性檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)

通常對(duì)安全帽特性的檢測(cè)主要包括兩部分：耐穿刺性能試驗(yàn)和抗沖擊性能試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2812-2006的要求，安全帽經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，其耐穿刺性能試驗(yàn)和抗沖擊性能試驗(yàn)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(yùn)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(shè)計(jì)的安全帽特性檢測(cè)儀總體上以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電磁鐵在導(dǎo)向圓筒內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，利用檢測(cè)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(jī)的正反轉(zhuǎn)，并利用高精度的壓力傳感器對(duì)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。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，以ATmega128單片機(jī)為控制核心，外擴(kuò)有壓力傳感器輸出信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路，以及通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)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(hào)調(diào)理電路用于對(duì)壓力傳感器GH-4輸出信號(hào)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(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路主要用于升降機(jī)上下限位的檢測(cè)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

由于所選的壓力傳感器信號(hào)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(hào)在傳輸過(guò)程中也容易被噪聲所淹沒(méi)。所以信號(hào)在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前必須經(jīng)過(guò)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(hào)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(nèi)設(shè)置增益。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

在圖3中，虛框內(nèi)為橋式壓力傳感器，傳感器輸出的兩個(gè)共模差分信號(hào)經(jīng)過(guò)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(dòng)干擾信號(hào)，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(cè)，本設(shè)計(jì)選300 Ω的增益電阻將信號(hào)放大100倍左右，即將傳感器輸出信號(hào)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(jì)主要采集瞬間的壓力數(shù)據(jù)，顯然ATmega128單片機(jī)內(nèi)部15 kS/s采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器無(wú)法滿足要求。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(hào)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(gè)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(diǎn)，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(duì)ADC的干擾，在VCC與模擬地之間接入 0.1 μF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(jì)時(shí)，還必須把數(shù)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)在限位開(kāi)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(kāi)關(guān)量輸出主要用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在電機(jī)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(hào)切換。光耦隔離的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出控制電路如圖4所示。需要注意的是：開(kāi)關(guān)量輸出在連接電機(jī)之前需要做正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)互鎖，以免出現(xiàn)邏輯控制錯(cuò)誤。

3 軟件部分實(shí)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(yàn)證界面；驗(yàn)證完畢后進(jìn)入主菜單。主菜單界面包括：用戶名和時(shí)間等設(shè)置、特性試驗(yàn)菜單和歷史記錄。選擇進(jìn)入試驗(yàn)界面后，首先利用開(kāi)關(guān)量輸出控制電機(jī)下行到下限位開(kāi)關(guān)位置。當(dāng)開(kāi)關(guān)量輸入檢測(cè)到下限位開(kāi)關(guān)信號(hào)后，電動(dòng)機(jī)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(jī)上行，當(dāng)檢測(cè)到上限位信號(hào)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(shù)據(jù)。每組采集數(shù)據(jù)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(shù)字濾波的效果，再?gòu)钠骄档臄?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(yàn)后，用戶可通過(guò)選擇來(lái)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在主菜單中，用戶可以通過(guò)選擇隨時(shí)查看以往所保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)串口將歷史數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)際應(yīng)用分析

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證，該檢測(cè)儀的穩(wěn)定性好，而且試驗(yàn)的結(jié)果直觀，所測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)多個(gè)安全帽樣本進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

本文采用ATmega128單片機(jī)設(shè)計(jì)的安全帽特性檢測(cè)儀具有數(shù)據(jù)采集速率高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、操作安全簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，比以往的安全帽特性檢測(cè)儀更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了智能化。但該檢測(cè)儀所能完成的試驗(yàn)類型較少，在今后的設(shè)計(jì)中還有待于進(jìn)一步提高與改進(jìn)。

表1 多個(gè)不同的安全帽樣本的測(cè)試結(jié)果

[1]臧蘭蘭，楊文芬，肖義慶，等.GB 2811《安全帽》、GB/T2812《安全帽測(cè)試方法》新、舊標(biāo)準(zhǔn)的變化[J].中國(guó)個(gè)體 防 護(hù) 裝 備 ，2007(5)：24-26.

[2]最新安全帽國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2811-2007及安全帽測(cè)試方法GB/T 2812-2006[S].2008.

[3]肖保軍，韓兆福，王釵，等.基于 ATmega128的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(1)：25-26.

[4]湯劍鋒.ATmega128單片機(jī)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(7)：25-31.

[5]阮三元，李剛，宋穎.具有最優(yōu)共模抑制性能的可變?cè)鲆鎯x用放大器AD8221及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2004(7)：44-46.

[6]吳開(kāi)杰，李剛.簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的高通過(guò)率、高精度 ADCAD974[J].國(guó) 外 電 子 元 器 件 ，2000(11)：25-27.

[7]方昌敏，章云峰.AD974在高壓信號(hào)采樣中的應(yīng)用[J].工業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) ，2008(11)：29-30.