基于ATmega128的智能安全帽特性檢測儀設計

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)

安全帽作為工人保護頭頂部受到傷害的重要防護用品，其質量好壞，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，由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AVR ATmega128單片機為控制核心，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/T2812-2006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，最后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。

圖1 總體設計方案

2 控制器的硬件電路設計

本文在設計硬件電路時，以ATmega128單片機為控制核心，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[3-4]。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為核心的模擬量采集電路進行精確轉換；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。

圖2 控制器硬件結構

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0.01 mV～20 mV，而AD974模擬輸入范圍為0～5 V，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AD8221作為壓力信號放大器，其突出優點是具有優異的共模抑制性能[5]。另外AD8221通過單一電阻即可在1～1 000的范圍內設置增益。信號調理電路設計如圖3所示。

圖3 信號調理電路

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 4.02 kΩ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。

2.2 A/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15 kS/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200 kS/s通過率的快速16位ADC[6]。由于信號調理電路輸出的電壓范圍是 0～2.5 V，AD974的輸入范圍應選擇為 0～5 V。AD974所需要的外部2.5 V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，能避免外部基準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 0.1 μF電容和 10 μF極性電容的并聯電路。此外在ADC的電路設計時，還必須把數字地與模擬地分開，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，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0.1 s后開始采集壓力數據。每組采集數據100個，除去每組的最大值和最小值后再取平均，這樣起到了數字濾波的效果，再從平均值的數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。

圖5 軟件設計流程

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、抗干擾能力強、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。

表1 多個不同的安全帽樣本的測試結果

[1]臧蘭蘭，楊文芬，肖義慶，等.GB 2811《安全帽》、GB/T2812《安全帽測試方法》新、舊標準的變化[J].中國個體 防 護 裝 備 ，2007(5)：24-26.

[2]最新安全帽國家標準GB 2811-2007及安全帽測試方法GB/T 2812-2006[S].2008.

[3]肖保軍，韓兆福，王釵，等.基于 ATmega128的高精度轉臺控制系統研究[J].工業控制計算機，2009(1)：25-26.

[4]湯劍鋒.ATmega128單片機仿真系統設計及實現[J].荊楚理工學院學報，2009(7)：25-31.

[5]阮三元，李剛，宋穎.具有最優共模抑制性能的可變增益儀用放大器AD8221及其應用[J].國外電子元器件，2004(7)：44-46.

[6]吳開杰，李剛.簡化電路設計的高通過率、高精度 ADCAD974[J].國 外 電 子 元 器 件 ，2000(11)：25-27.

[7]方昌敏，章云峰.AD974在高壓信號采樣中的應用[J].工業 控 制 計 算 機 ，2008(11)：29-30.