基于ATmega128的智能安全帽特性检测仪设计

安全帽作为工人保护头顶部受到伤害的重要防护用品，其质量好坏，直接影响生命安全。通常情况下，安检部门对安全帽特性的检测主要是测试其抗冲击性能和耐穿刺性能，即安全帽经过紫外线等特殊处理后，利用检测仪上的重锤或尖锤对安全帽施加瞬间的冲击力后，观察安全帽是否损坏来判断合格与否[1]。目前市场上有多种安全帽特性检测仪，如AST-8910、BAQM-A、YJ-8627等型号的检测仪。虽然这些检测仪都能简单地对安全帽的特性进行测试，而且都能达到一定的自动化程度，但同时也存在着一些问题：(1)检测仪无法对瞬间压力数据进行准确地采集；(2)重锤或尖锤的下落方式不是严格的自由落体运动，由此检测的结果无法满足国家标准的要求；(3)试验操作过程较为复杂，同时在操作中存在一定的安全隐患，容易对操作员或设备带来不必要的伤害。针对这些问题，本文以AVR 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。

1 安全帽特性检测仪的总体设计

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3 kg的尖锤和5 kg的重锤距离安全帽顶部1 m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。


2 控制器的硬件电路设计

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。


2.1 信号调理电路的设计

由于所选的压力传感器信号输出范围为0.01 mV~20 mV，而AD974模拟输入范围为0~5 V，同时传感器输出的小信号在传输过程中也容易被噪声所淹没。所以信号在进入A/D转换器之前必须经过必要的放大和滤波才能准确地反映传感器所输出的数值。本文选用具有低电压失调、低失调漂移、低增益漂移和高增益精度等特性的增益可编程高性能仪表放大器AD8221作为压力信号放大器，其突出优点是具有优异的共模抑制性能[5]。另外AD8221通过单一电阻即可在1~1 000的范围内设置增益。信号调理电路设计如图3所示。

在图3中，虚框内为桥式压力传感器，传感器输出的两个共模差分信号经过由电容C1、C2以及4.02 kΩ的电阻构成射频干扰抑制电路进行去噪处理。其中电容C1抑制差动干扰信号，C2抑制两输入端的共模干扰；RG为增益电阻，根据AD8221数据手册，本设计选300 Ω的增益电阻将信号放大100倍左右，即将传感器输出信号转换到0~2.5 V范围内。

2.2 A/D转换电路

本设计主要采集瞬间的压力数据，显然ATmega128单片机内部15 kS/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200 kS/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0~2.5 V，AD974的输入范围应选择为0~5 V。AD974所需要的外部2.5 V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10 μF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]。

2.3 开关量输入/输出电路设计

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。