基于ATmega128的智能安全帽特性檢測(cè)儀設(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]。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。

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。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)。

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)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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)。