基于双ATmega128的安检力学试验机设计

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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，电容C1、C2以及4．02 kΩ电阻构成射频干扰抑制电路。其中电容C1抑制的是差动干扰信号，C2抑制的是两输入端的共模干扰；根据AD8221数据手册，选用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。在本设计中，共使用3路放大电路，分别对拉／压力传感器和2路位移传感器输出信号调理。
2．3 模拟量采集电路
    本系统对于模拟信号采集精度的要求很高，ATmega128单片机内部10位A／D转换器无法满足。根据要求选用美国ADI公司的低噪声、高分辨率和基于∑-△转换技术的24位A／D转换器AD7718。该器件8／10通道单端输入，具有增益可编程。本设计中，传感器输出信号经过放大滤波等处理后，可看作为差分信号，因此通过软件配置AD7718为8通道单端输入模式。设计时使用低温漂和低噪声的AD780输出2．5 V电压作为参考电源。此外AD7718在使用时必须将模拟地和数字地隔离开来，这样可消除任何耦合到AD7718模拟部分的高频噪声，其电路如图5所示。




2．4 变频器控制模块
    根据不同试验的要求，需要控制电动机的转速和正反转，本设计通过单片机控制变频器来实现这些功能。设计中使用开关量输出控制变频器A100-3022的外部端子FWD、REV来实现电动机正反转的控制，将AD5324的输出经电压跟随处理后连接到变频器的外部输入端子+5 V IN，利用该0～5 V之间的电压信号控制变频器的输出频率。具体实现框图如图6所示。




2．4．1 D／A转换电路
    根据不同的试验，对电动机所带动的升降机构的运行速度有严格的要求，利用变频器的面板的按键操作或者外部电位器对变频器的频率进行给定，这种对频率的改变实时性较差，而且也无法实现自动操作。本设计选用AD5324输出0～5 V电压信号作为频率调整的信号。AD5324为12位的D／A转换器，0～REF的模拟输出范围。另外，在AD5324的输出端增加一路由LM324构成的电压跟随电路，用于增强负载驱动能力。
2．4．2 开关量输入输出电路设计
    本试验机使用机械结构形式的限位开关ME-8104，作为升降机构的上、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。在变频器上有2路控制端子，直接用继电器信号输入即可。光耦隔离的开关量输入输出控制电路如图7所示。不过需要注意的是：开关量输出在连接到变频器之前需要做正反转控制信号互锁，以免出现逻辑控制错误。




                          
                       
                          
                               

3 系统软件设计
    根据系统设计的要求，软件设计主要包括两部分，即主、从ATmega128单片机两部分的软件设计。主单片机上电后，首先初始化，然后进入用户验证界面：在试验的主菜单界面中包括：用户名和时间等设置、具体的试验菜单和历史记录。在试验界面中完成一个试验后，用户可选择是否保存试验的数据：历史记录界面里可以读取以往所保存的试验数据，当外部存储器存满数据后，用户可以通过串口连接到PC机进行打印。在每个界面的下方都有操作提示，并且有时钟进行实时显示。主单片机的程序设计流程如图8(a)所示。从ATmega128单片机上电后，首先初始化，然后进入接收指令状态。从单片机根据主ATmega128单片机发送来的指令分别进行A／D或D／A转换操作，并将处理的结果或转换的数据发送给主ATmega128单片机。从ATmega128单片机的软件设计流程如图8(b)所示。





4 实际应用分析
    本系统经过大量的测试试验验证，该试验机的稳定性好，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。使用试验机时可以直接按照液晶屏幕上的提示进行各种实验操作。部分操作界面如图9所示。以直角扣件抗滑试验的试验结果为例，对多个不同直角扣件分别做抗滑试验结果如表1所示。



　





5 结束语
    采用ATmega128单片机设计的安检力学试验机具有数据采集精度高、抗干扰能力强、数据传输快速可靠等特点。相对于以往的试验机，所设计的力学安检试验机具有相对成本低、功能强大、稳定性好、操作安全、结构简单等优点。本试验机在使用过程中出现一些机械布局不太合理等缺点，在今后设计中有待于进一步的升级改进和提高。