摘  要： 針對(duì)當(dāng)前安全帽特性檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集精確度不高以及自動(dòng)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(cè)儀,。介紹了該安全帽特性檢測(cè)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(cè)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(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)也存在著一些問題：(1)檢測(cè)儀無法對(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)果無法滿足國(guó)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(duì)操作員或設(shè)備帶來不必要的傷害,。針對(duì)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(cè)儀。經(jīng)過大量試驗(yàn)表明：該安全帽特性檢測(cè)儀具有試驗(yàn)過程簡(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,。

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]?？刂破饔布Y(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,。

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)在傳輸過程中也容易被噪聲所淹沒,。所以信號(hào)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(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。

    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(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0.1μF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(hào)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(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(cè)到下限位開關(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(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(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),。
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