基于ATmega128的智能安全帽特性檢測儀設(shè)計及實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ATmega128的智能安全帽特性檢測儀設(shè)計及實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用安全帽這個全國人民、全世界人民都熟知的安全防護用品，它伴隨著人們在國計民生的各個領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的安全防護作用。人們把安全和健康的希望寄托于此，因此，其產(chǎn)品質(zhì)量理所當(dāng)然地成為社會關(guān)注的焦點。目前市場上有多種安全帽特性檢測儀，如AST-8910、BAQM-A、YJ-8627等型號的檢測儀。雖然這些檢測儀都能簡單地對安全帽的特性進行測試，而且都能達到一定的自動化程度，但同時也存在著一些問題：（1）檢測儀無法對瞬間壓力數(shù)據(jù)進行準確地采集；（2）重錘或尖錘的下落方式不是嚴格的自由落體運動，因此檢測的結(jié)果無法滿足國家標準的要求；（3）試驗操作過程較為復(fù)雜，同時在操作中存在一定的安全隱患，容易對操作員或設(shè)備帶來不必要的傷害。針對這些問題，本文以AVRATmega128單片機為控制，通過各外擴功能模塊構(gòu)成智能化的安全帽特性檢測儀。經(jīng)過大量試驗表明：該安全帽特性檢測儀具有試驗過程簡單、操作安全方便和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，實現(xiàn)了安全帽特性檢測過程的智能化與自動化。

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)國家標準GB/T2812-2022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3kg的尖錘和5kg的重錘距離安全帽頂部1m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。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行采集，將采集的數(shù)據(jù)輸入到控制器進行處理?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。

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，外擴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。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為的模擬量采集電路進行轉(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。

ATmega128是ATMEL公司的8位系列單片機的配置的一款單片機，應(yīng)用極其廣泛。ATmega128器件是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來應(yīng)用程序到應(yīng)用Flash存儲器。在更新應(yīng)用Flash存儲器時引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega128為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。ATmega128AVR有整套的開發(fā)工具，包括C編譯器，宏匯編，程序調(diào)試器/仿真器和評估板。

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0.01mV~20mV,而AD974模擬輸入范圍為0~5V,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。另外AD8221通過單一電阻即可在1~1000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。信號調(diào)理電路設(shè)計如圖3所示。

在圖3中，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4.02kΩ的電阻構(gòu)成射頻干擾抑制電路進行去噪處理。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300Ω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0~2.5V范圍內(nèi)。

2.2A/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15kS/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200kS/s通過率的快速16位ADC.由于信號調(diào)理電路輸出的電壓范圍是0~2.5V,AD974的輸入范圍應(yīng)選擇為0~5V.AD974所需要的外部2.5V基準電壓由AD780提供。AD780是一個帶隙基準，具有極低的漂移，低起始誤差和低輸出噪聲等特點。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10μF極性電容的并聯(lián)電路。此外在ADC的電路設(shè)計時，把數(shù)字地與模擬地分開，可以消除任何耦合到AD974模擬部分的高頻噪聲。

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，有效地抑制尖峰脈沖，避免外部干擾噪聲進入單片機系統(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)繼電器進行信號切換。光耦隔離的開關(guān)量輸入/輸出控制電路如圖4所示。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，首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入用戶驗證界面；驗證完畢后進入主菜單。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0.1s后開始采集壓力數(shù)據(jù)。每組采集數(shù)據(jù)100個，除去每組的值和值后再取平均，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。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

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)均能達到國家標準的要求。對多個安全帽樣本進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

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、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)計中還有待于進一步提高與改進。

參考文