基于双ATmega128的安检力学试验机设计

钢管脚手架、安全网和安全带是建筑工地的重要防护措施，直接影响到建筑工人的人身安全。通常情况下，安检部门使用安检力学试验机检测其性能，即对其施加一定数值的拉力或压力，然后测出被测材料的形变程度或破坏程度是否符合国家标准，判断被测材料是否合格。目前市场上的试验机种类很多，比如：JJ-909A、WDW532、YES312等型号的试验机，这些试验机能够完成一些简单的检测试验，并达到一定的自动化程度，但同时也存在一些问题：1)完成的试验种类较为单一，即每一类材料的测试都需要专门的试验机完成，检测多种材料的性能就需要多台不同的试验机完成，这样不仅占用了大量的空间。同时还需要大量的成本投入；2)对试验数据的处理方法过于简单，而且操作复杂，带来大量不必要的人力、物力的浪费。
针对目前试验机存在的上述问题，提出一种新型安检力学试验机的设计方案。该方案以双ATmega128单片机为控制核心，通过外扩不同的检测控制模块将钢管脚手架、安全网和安全带等特性检测融为一体。该试验机可以完成直角扣件抗滑、直角扣件抗破坏、直角扣件扭转刚度、旋转扣件抗滑、旋转扣件抗破坏、对接扣件抗拉、底座抗破坏、安全帽侧向刚性自动检测试验和安全网、安全带性能检测相关试验等15种安全检测试验。经过大量的试验表明：该安检力学试验机具有检测过程简单、操作方便、功能完善等优点，在实现多种材料特性检测的基础上，实现了检测过程的数字化和自动化，比以往的试验机具有更大的推广价值。

1 试验机总体设计
根据国家标准GB／15831-2006、GB／16909-1997和GB／6096-85的要求，钢管脚手架、安全网和安全带的测试都是利用安检设备对被测材料施加一定值的压力或拉力后，测出被测材料相应点的位移值是否达到标准要求，或观察被测材料是否被破坏，判断被测材料是否合格。本文所提出的安检力学试验机总体上以控制器控制三相异步电动机带动升降机构对被测材料施加压力或拉力，利用高精度的拉／压力和位移传感器检测力值和位移值，并以此作为判断的依据。总体设计方案如图1所示。

图1中，选用ABB．SEMIKRON公司的A100-3022变频器作为电动机的控制单元，以JLBZ-2T拉／压力传感器对被测材料的拉／压力进行采集。并且选用两块WBD-30百分表作为位移传感器检测两路位移量。

2 控制器的硬件电路设计
控制器是整个试验机的控制核心，由于控制、检测任务较多，使用单一单片机难以满足实时性的要求，控制器是以双ATmega128为控制核心，外扩有信号调理电路、模拟量采集电路、D／A转换电路、开关量输入／输出电路，以及数据存储、时钟控制、键盘操作和LCD显示等辅助电路，控制器硬件结构框图如图2所示。图2中双ATmega128之间通过高速双端口RAMIDT7130实现通信和信息共享；D／A转换电路主要用于输出模拟电压信号以控制变频器的频率，从而实现电机转速和拉／压力大小的控制；信号调理电路用于对拉／压力传感器和位移传感器输出信号的放大和滤波，并利用以AD7718为核心的模拟量采集电路进行精确的转换；开关量输入／输出电路主要用于升降机构上下限位的检测和电机正反转的控制。

2．1 双ATmega128通信模块
由于该安检力学试验机完成的试验种类较多，仅靠1片ATmega128单片机无法满足系统的实时性要求。为了提高系统的运行速度，使用2片ATmega128单片机分工完成各项功能，其中主ATmega128单片机主要实现开关量输入判断和输出控制，及数据存储、串行通信、时钟控制、键盘操作和液晶显示等辅助功能；从ATmega128单片机主要实现A／D采样控制、D／A转换输出控制以及压力和位移传感器数据的换算等。主从两单片机通过IDT7130实现通信和数据共享。IDT7130是1 Kx8位高速双端口静态RAM，它的两个端口可独立访问存储器内的任意存储单元。具体应用电路如图3所示。

2．2 信号调理电路
本系统主要采集的模拟信号是持续递增的拉／压力传感器输出信号和两路位移传感器输出信号，拉／压力传感器的输出信号范围为0．015～20 mV。位移传感输出的数据范围是0．01～15 mV。由于AD7718能转换的信号范围是20 mV～2．56 V，信号在进入A／D转换器之前必须经过放大和滤波才能准确地反映传感器所输出的数值。本设计选用AD8221对传感器信号进行放大。AD8221是具有低失调电压、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，其突出优点是优异的共模抑制性能。AD8221通过单一电阻即可实现1～1 000的范围内设置增益。信号调理电路如图4所示。

图4中，RG为增益电阻，IN1和IN2为传感器输出的2个差分信号