基于ATmega128的智能安全帽特性检测仪设计

基于ATmega128的智能安全帽特性检测仪设计

 

　　针对这些问题，本文以ATmega128单片机为控制核心，通过各外扩功能模块构成智能化的安全帽特性检测仪。经过大量试验表明：该安全帽特性检测仪具有试验过程简单、操作安全方便和结构稳定等优点，实现了安全帽特性检测过程的智能化与自动化。

 

　　通常对安全帽特性的检测主要包括两部分：耐穿刺性能试验和抗冲击性能试验。根据国家标准GB/T2812-2006的要求，安全帽经过预处理后，其耐穿刺性能试验和抗冲击性能试验分别以3kg的尖锤和5kg的重锤距离安全帽顶部1m处作自由落体运动，在符合正常操作条件的情况下，帽壳无碎片脱落表示安全帽合格，否则为不合格[2]。本文设计的安全帽特性检测仪总体上以电动机带动电磁铁在导向圆筒内上下运动，利用检测仪的开关量输出电路控制电磁铁上重锤的吸合或释放与电机的正反转，并利用高精度的压力传感器对瞬间冲击压力进行采集，最后将采集的数据输入到控制器进行处理。总体设计方案如图1所示。

 

　　本文在设计硬件电路时，以ATmega128单片机为控制核心，外扩有压力传感器输出信号调理电路、A/D转换电路、开关量输入/输出电路，以及通信、数据存储、时钟控制、键盘操作和LCD显示等辅助电路[3-4]。控制器硬件结构如图2所示。其中信号调理电路用于对压力传感器GH-4输出信号的放大和滤波，并利用以AD974为核心的模拟量采集电路进行精确转换；开关量输入/输出电路主要用于升降机上下限位的检测和电机正反转的控制。

 

　　本设计主要采集瞬间的压力数据，显然ATmega128单片机内部15kS/s采样率的A/D转换器无法满足要求。AD974是ADI公司生产的一种具有200kS/s通过率的快速16位ADC[6]。由于信号调理电路输出的电压范围是0~2.5V，AD974的输入范围应选择为0~5V。AD974所需要的外部2.5V基准电压由AD780提供。AD780是一个带隙基准，具有极低的漂移，低起始误差和低输出噪声等特点，能避免外部基准电压的噪声和温漂的影响。为了减小电源对ADC的干扰，在VCC与模拟地之间接入0.1μF电容和10μF极性电容的并联电路。此外在ADC的电路设计时，还必须把数字地与模拟地分开，这样可消除任何耦合到AD974模拟部分的高频噪声[7]。

 

　　本设计使用光电形式的限位开关LM18-300PZ，作为电磁铁的上、下限位。设计时在限位开关与单片机端口之间增加光电隔离器，以有效地抑制尖峰脉冲，避免外部干扰噪声进入单片机系统；开关量输出主要用于控制电机正反转。在电机上有两路控制端子，利用中间继电器控制固态继电器进行信号切换。光耦隔离的开关量输入/输出控制电路如图4所示。需要注意的是：开关量输出在连接电机之前需要做正反转控制信号互锁，以免出现逻辑控制错误。

 

　　本系统经过大量的测试试验验证，该检测仪的稳定性好，而且试验的结果直观，所测试的试验数据均能达到国家标准的要求。对多个安全帽样本进行测试，测试结果如表1所示。