基于雙ATmega128的安檢力學試驗機設計

劉明亮，孫來軍，葉光忠

（黑龍江大學 黑龍江省電子工程高校重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

鋼管腳手架、安全網和安全帶是建筑工地的重要防護措施，直接影響到建筑工人的人身安全。通常情況下，安檢部門使用安檢力學試驗機檢測其性能，即對其施加一定數值的拉力或壓力，然后測出被測材料的形變程度或破壞程度是否符合國家標準，判斷被測材料是否合格[1-2]。目前市場上的試驗機種類很多，比如：JJ-909A、WDW532、YES312等型號的試驗機，這些試驗機能夠完成一些簡單的檢測試驗，并達到一定的自動化程度，但同時也存在一些問題：1）完成的試驗種類較為單一，即每一類材料的測試都需要專門的試驗機完成，檢測多種材料的性能就需要多臺不同的試驗機完成，這樣不僅占用了大量的空間，同時還需要大量的成本投入；2）對試驗數據的處理方法過于簡單，而且操作復雜，帶來大量不必要的人力、物力的浪費。

針對目前試驗機存在的上述問題，提出一種新型安檢力學試驗機的設計方案。該方案以雙ATmega128單片機為控制核心，通過外擴不同的檢測控制模塊將鋼管腳手架、安全網和安全帶等特性檢測融為一體。該試驗機可以完成直角扣件抗滑、直角扣件抗破壞、直角扣件扭轉剛度、旋轉扣件抗滑、旋轉扣件抗破壞、對接扣件抗拉、底座抗破壞、安全帽側向剛性自動檢測試驗和安全網、安全帶性能檢測相關試驗等15種安全檢測試驗[3]。經過大量的試驗表明：該安檢力學試驗機具有檢測過程簡單、操作方便、功能完善等優點，在實現多種材料特性檢測的基礎上，實現了檢測過程的數字化和自動化，比以往的試驗機具有更大的推廣價值。

1 試驗機總體設計

根據國家標準 GB/15831-2006、GB/16909-1997和 GB/6096-85的要求，鋼管腳手架、安全網和安全帶的測試都是利用安檢設備對被測材料施加一定值的壓力或拉力后，測出被測材料相應點的位移值是否達到標準要求，或觀察被測材料是否被破壞，判斷被測材料是否合格。本文所提出的安檢力學試驗機總體上以控制器控制三相異步電動機帶動升降機構對被測材料施加壓力或拉力，利用高精度的拉/壓力和位移傳感器檢測力值和位移值，并以此作為判斷的依據。總體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案Fig.1 Overall design program

圖1中，選用ABB.SEMIKRON公司的A100-3022變頻器作為電動機的控制單元，以JLBZ-2T拉/壓力傳感器對被測材料的拉/壓力進行采集，并且選用兩塊WBD-30百分表作為位移傳感器檢測兩路位移量。

2 控制器的硬件電路設計

控制器是整個試驗機的控制核心，由于控制、檢測任務較多，使用單一單片機難以滿足實時性的要求，控制器是以雙ATmega128為控制核心，外擴有信號調理電路、模擬量采集電路、D/A轉換電路、開關量輸入/輸出電路，以及數據存儲、時鐘控制、鍵盤操作和LCD顯示等輔助電路，控制器硬件結構框圖如圖2所示。圖2中雙ATmega128之間通過高速雙端口RAMIDT7130實現通信和信息共享[4]；D/A轉換電路主要用于輸出模擬電壓信號以控制變頻器的頻率，從而實現電機轉速和拉/壓力大小的控制；信號調理電路用于對拉/壓力傳感器和位移傳感器輸出信號的放大和濾波，并利用以AD7718為核心的模擬量采集電路進行精確的轉換[5]；開關量輸入/輸出電路主要用于升降機構上下限位的檢測和電機正反轉的控制。

圖2 控制器的硬件電路設計Fig.2 Hardware circuit design of controller

2.1 雙ATmega128通信模塊

由于該安檢力學試驗機完成的試驗種類較多，僅靠1片ATmega128單片機無法滿足系統的實時性要求。為了提高系統的運行速度，使用2片ATmega128單片機分工完成各項功能，其中主ATmega128單片機主要實現開關量輸入判斷和輸出控制，及數據存儲、串行通信、時鐘控制、鍵盤操作和液晶顯示等輔助功能[6-7]；從ATmega128單片機主要實現A/D采樣控制、D/A轉換輸出控制以及壓力和位移傳感器數據的換算等。主從兩單片機通過IDT7130實現通信和數據共享。IDT7130是1 K×8位高速雙端口靜態RAM，它的兩個端口可獨立訪問存儲器內的任意存儲單元。具體應用電路如圖3所示。

圖3 雙ATmega128通信模塊Fig.3 Double ATmega128s communication module

2.2 信號調理電路

本系統主要采集的模擬信號是持續遞增的拉/壓力傳感器輸出信號和兩路位移傳感器輸出信號，拉/壓力傳感器的輸出信號范圍為0.015～20 mV，位移傳感輸出的數據范圍是0.01～15 mV。由于 AD7718能轉換的信號范圍是20 mV～2.56 V，信號在進入A/D轉換器之前必須經過放大和濾波才能準確地反映傳感器所輸出的數值。本設計選用AD8221對傳感器信號進行放大。AD8221是具有低失調電壓、低失調漂移、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，其突出優點是優異的共模抑制性能。AD8221通過單一電阻即可實現1～1000的范圍內設置增益。信號調理電路如圖4所示。

圖4 AD8221放大電路Fig.4 Amplify circuit of AD8221

圖4中，RG為增益電阻，IN1和IN2為傳感器輸出的2個差分信號，電容C1、C2以及4.02 kΩ電阻構成射頻干擾抑制電路，其中電容C1抑制的是差動干擾信號，C2抑制的是兩輸入端的共模干擾；根據AD8221數據手冊，選用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換到0～2.5 V范圍內。在本設計中，共使用3路放大電路，分別對拉/壓力傳感器和2路位移傳感器輸出信號調理。

2.3 模擬量采集電路

本系統對于模擬信號采集精度的要求很高，ATmega128單片機內部10位A/D轉換器無法滿足。根據要求選用美國ADI公司的低噪聲、高分辨率和基于∑-Δ轉換技術的24位A/D轉換器AD7718。該器件8/10通道單端輸入，具有增益可編程。本設計中，傳感器輸出信號經過放大濾波等處理后，可看作為差分信號，因此通過軟件配置AD7718為8通道單端輸入模式。設計時使用低溫漂和低噪聲的AD780輸出2.5 V電壓作為參考電源。此外AD7718在使用時必須將模擬地和數字地隔離開來，這樣可消除任何耦合到AD7718模擬部分的高頻噪聲，其電路如圖5所示。

圖5 A/D、D/A轉換電路Fig.5 A/D，D/A converter circuit

2.4 變頻器控制模塊

根據不同試驗的要求，需要控制電動機的轉速和正反轉，本設計通過單片機控制變頻器來實現這些功能。設計中使用開關量輸出控制變頻器A100-3022的外部端子FWD、REV來實現電動機正反轉的控制，將AD5324的輸出經電壓跟隨處理后連接到變頻器的外部輸入端子+5 V IN，利用該0～5 V之間的電壓信號控制變頻器的輸出頻率。具體實現框圖如圖6所示。

圖6 變頻器控制模塊Fig.6 Control module of frequency converter

2.4.1 D/A轉換電路

根據不同的試驗，對電動機所帶動的升降機構的運行速度有嚴格的要求，利用變頻器的面板的按鍵操作或者外部電位器對變頻器的頻率進行給定，這種對頻率的改變實時性較差，而且也無法實現自動操作。本設計選用AD5324輸出0～5 V電壓信號作為頻率調整的信號。AD5324為12位的D/A轉換器，0～REF的模擬輸出范圍。另外，在AD5324的輸出端增加一路由LM324構成的電壓跟隨電路，用于增強負載驅動能力。

2.4.2 開關量輸入輸出電路設計

本試驗機使用機械結構形式的限位開關ME-8104，作為升降機構的上、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，以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。在變頻器上有2路控制端子，直接用繼電器信號輸入即可。光耦隔離的開關量輸入輸出控制電路如圖7所示。不過需要注意的是：開關量輸出在連接到變頻器之前需要做正反轉控制信號互鎖，以免出現邏輯控制錯誤。

圖7 開關量輸入輸出電路Fig.7 Digital input/output circuit of switching value

3 系統軟件設計

根據系統設計的要求，軟件設計主要包括兩部分，即主、從ATmega128單片機兩部分的軟件設計[8]。主單片機上電后，首先初始化，然后進入用戶驗證界面；在試驗的主菜單界面中包括：用戶名和時間等設置、具體的試驗菜單和歷史記錄。在試驗界面中完成一個試驗后，用戶可選擇是否保存試驗的數據；歷史記錄界面里可以讀取以往所保存的試驗數據，當外部存儲器存滿數據后，用戶可以通過串口連接到PC機進行打印。在每個界面的下方都有操作提示，并且有時鐘進行實時顯示。主單片機的程序設計流程如圖8（a）所示。從ATmega128單片機上電后，首先初始化，然后進入接收指令狀態。從單片機根據主ATmega128單片機發送來的指令分別進行A/D或D/A轉換操作，并將處理的結果或轉換的數據發送給主ATmega128單片機。從ATmega128單片機的軟件設計流程如圖 8（b）所示。

圖8 系統軟件設計流程Fig.8 Flow chart of system software design

4 實際應用分析

本系統經過大量的測試試驗驗證，該試驗機的穩定性好，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。使用試驗機時可以直接按照液晶屏幕上的提示進行各種實驗操作。部分操作界面如圖9所示。以直角扣件抗滑試驗的試驗結果為例，對多個不同直角扣件分別做抗滑試驗結果如表1所示。

圖9 試驗機部分操作界面Fig.9 Interface of testing machine

表1 直角扣件抗滑試驗Tab.1 Test of right-angle fastener slide

5 結束語

采用ATmega128單片機設計的安檢力學試驗機具有數據采集精度高、抗干擾能力強、數據傳輸快速可靠等特點。相對于以往的試驗機，所設計的力學安檢試驗機具有相對成本低、功能強大、穩定性好、操作安全、結構簡單等優點。本試驗機在使用過程中出現一些機械布局不太合理等缺點，在今后設計中有待于進一步的升級改進和提高。

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