摘 要： 針對當(dāng)前安全帽特性檢測儀數(shù)據(jù)采集精確度不高以及自動化程度低等問題，提出了一種以ATmega128單片機(jī)為控制核心的智能安全帽特性檢測儀。介紹了該安全帽特性檢測儀硬件的設(shè)計(jì)原理和方案，并且給出了軟件的設(shè)計(jì)思想和操作流程。實(shí)現(xiàn)了安全帽特性檢測儀的智能化與數(shù)字化。
關(guān)鍵詞： ATmega128；安全帽；智能
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，安檢部門對安全帽特性的檢測主要是測試其抗沖擊性能和耐穿刺性能，即安全帽經(jīng)過紫外線等特殊處理后，利用檢測儀上的重錘或尖錘對安全帽施加瞬間的沖擊力后，觀察安全帽是否損壞來判斷合格與否[1]。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(jìn)行測試，而且都能達(dá)到一定的自動化程度，但同時(shí)也存在著一些問題：(1)檢測儀無法對瞬間壓力數(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，由此檢測的結(jié)果無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求；(3)試驗(yàn)操作過程較為復(fù)雜，同時(shí)在操作中存在一定的安全隱患，容易對操作員或設(shè)備帶來不必要的傷害。針對這些問題，本文以AVR ATmega128單片機(jī)為控制核心，通過各外擴(kuò)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(yàn)表明：該安全帽特性檢測儀具有試驗(yàn)過程簡單、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(jì)
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(yàn)和抗沖擊性能試驗(yàn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2812-2006的要求，安全帽經(jīng)過預(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，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[2]。本文設(shè)計(jì)的安全帽特性檢測儀總體上以電動機(jī)帶動電磁鐵在導(dǎo)向圓筒內(nèi)上下運(yùn)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(jī)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(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。
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(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為核心的模擬量采集電路進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換；開關(guān)量輸入/輸出電路主要用于升降機(jī)上下限位的檢測和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。
2.1 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
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程中也容易被噪聲所淹沒。所以信號在進(jìn)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(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通過單一電阻即可在1~1 000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)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4.02 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(jì)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(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)換器無法滿足要求。AD974是ADI公司生產(chǎn)的一種具有200 kS/s通過率的快速16位ADC[6]。由于信號調(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ADC的電路設(shè)計(jì)時(shí)，還必須把數(shù)字地與模擬地分開，這樣可消除任何耦合到AD974模擬部分的高頻噪聲[7]。
2.3 開關(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關(guān)LM18-300PZ，作為電磁鐵的上、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(jī)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(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，首先利用開關(guān)量輸出控制電機(jī)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(jī)自動停止，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)檢測到上限位信號后，可通過按鍵來釋放電磁鐵上的重錘，延時(shí)0.1 s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，再從平均值的數(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，用戶可通過選擇來保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在主菜單中，用戶可以通過選擇隨時(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。
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，該檢測儀的穩(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。對多個安全帽樣本進(jìn)行測試，測試結(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、操作安全簡便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，比以往的安全帽特性檢測儀更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了智能化。但該檢測儀所能完成的試驗(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)。
參考文獻(xiàn)
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