基于ATmega128的智能安全帽特性检测仪设计

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。

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。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。

3 软件部分实现

控制器上电后，首先进行系统初始化，然后进入用户验证界面；验证完毕后进入主菜单。主菜单界面包括：用户名和时间等设置、特性试验菜单和历史记录。选择进入试验界面后，首先利用开关量输出控制电机下行到下限位开关位置。当开关量输入检测到下限位开关信号后，电动机自动停止，同时电磁铁吸合并提示安装重锤；安装完重锤后控制电机上行，当检测到上限位信号后，可通过按键来释放电磁铁上的重锤，延时0.1 s后开始采集压力数据。每组采集数据100个，除去每组的最大值和最小值后再取平均，这样起到了数字滤波的效果，再从平均值的数组中取最大值即是瞬间的压力值，并将此压力值显示在LCD显示屏；做完一组试验后，用户可通过选择来保存试验数据。在主菜单中，用户可以通过选择随时查看以往所保存的试验数据，并可以通过串口将历史数据上传到PC机。

4 实际应用分析

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。

本文采用ATmega128单片机设计的安全帽特性检测仪具有数据采集速率高、抗干扰能力强、稳定性好、操作安全简便、结构简单等优点，比以往的安全帽特性检测仪更进一步实现了智能化。但该检测仪所能完成的试验类型较少，在今后的设计中还有待于进一步提高与改进。