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計及實現-設計應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域，發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，其產品質量理所當然地成為社會關注的焦點。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據進行準確地采集；（2）重錘或尖錘的下落方式不是嚴格的自由落體運動，因此檢測的結果無法滿足國家標準的要求；（3）試驗操作過程較為復雜，同時在操作中存在一定的安全隱患，容易對操作員或設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成智能化的安全帽特性檢測儀。經過大量試驗表明：該安全帽特性檢測儀具有試驗過程簡單、操作安全方便和結構穩定等優點，實現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。根據國家標準GB/T2812-2022的要求，安全帽經過預處理后，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。本文設計的安全帽特性檢測儀總體上以電動機帶動電磁鐵在導向圓筒內上下運動，利用檢測儀的開關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，并利用高精度的壓力傳感器對瞬間沖擊壓力進行采集，將采集的數據輸入到控制器進行處理。總體設計方案如圖1所示。

2控制器的硬件電路設計

本文在設計硬件電路時，以ATmega128單片機為控制，外擴有壓力傳感器輸出信號調理電路、A/D轉換電路、開關量輸入/輸出電路，以及通信、數據存儲、時鐘控制、鍵盤操作和LCD顯示等輔助電路。控制器硬件結構如圖2所示。其中信號調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換；開關量輸入/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，應用極其廣泛。ATmega128器件是以Atmel的高密度非易失性內存技術生產的。片內ISPFlash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導程序多次編程。引導程序可以使用任何接口來應用程序到應用Flash存儲器。在更新應用Flash存儲器時引導Flash區的程序繼續運行，實現RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統內可編程的Flash集成在一個芯片內，ATmega128為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。ATmega128AVR有整套的開發工具，包括C編譯器，宏匯編，程序調試器/仿真器和評估板。

2.1信號調理電路的設計

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轉換器之前必須經過必要的放大和濾波才能準確地反映傳感器所輸出的數值。本文選用具有低電壓失調、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的范圍內設置增益。信號調理電路設計如圖3所示。

在圖3中，虛框內為橋式壓力傳感器，傳感器輸出的兩個共模差分信號經過由電容C1、C2以及4.02kΩ的電阻構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AD8221數據手冊，本設計選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換到0~2.5V范圍內。

2.2A/D轉換電路

本設計主要采集瞬間的壓力數據，顯然ATmega128單片機內部15kS/s采樣率的A/D轉換器無法滿足要求。AD974是ADI公司生產的一種具有200kS/s通過率的快速16位ADC.由于信號調理電路輸出的電壓范圍是0~2.5V,AD974的輸入范圍應選擇為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極性電容的并聯電路。此外在ADC的電路設計時，把數字地與模擬地分開，可以消除任何耦合到AD974模擬部分的高頻噪聲。

2.3開關量輸入/輸出電路設計

本設計使用光電形式的限位開關LM18-300PZ,作為電磁鐵的上、下限位。設計時在限位開關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；開關量輸出主要用于控制電機正反轉。在電機上有兩路控制端子，利用中間繼電器控制固態繼電器進行信號切換。光耦隔離的開關量輸入/輸出控制電路如圖4所示。需要注意的是：開關量輸出在連接電機之前需要做正反轉控制信號互鎖，以免出現邏輯控制錯誤。

3軟件部分實現

控制器上電后，首先進行系統初始化，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，首先利用開關量輸出控制電機下行到下限位開關位置。當開關量輸入檢測到下限位開關信號后，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后開始采集壓力數據。每組采集數據100個，除去每組的值和值后再取平均，這樣起到了數字濾波的效果，再從平均值的數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據。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據，并可以通過串口將歷史數據上傳到PC機。軟件設計流程如圖5所示。

4實際應用分析

本系統經過大量的測試試驗驗證，該檢測儀的穩定性好，而且試驗的結果直觀，所測試的試驗數據均能達到國家標準的要求。對多個安全帽樣本進行測試，測試結果如表1所示。

本文采用ATmega128單片機設計的安全帽特性檢測儀具有數據采集速率高、穩定性好、操作安全簡便、結構簡單等優點，比以往的安全帽特性檢測儀更進一步實現了智能化。但該檢測儀所能完成的試驗類型較少，在今后的設計中還有待于進一步提高與改進。

參考文