基于雙ATmega128的安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶是建筑工地的重要防護(hù)措施，直接影響到建筑工人的人身安全。通常情況下，安檢部門使用安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其性能，即對(duì)其施加一定數(shù)值的拉力或壓力，然后測(cè)出被測(cè)材料的形變程度或破壞程度是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)，判斷被測(cè)材料是否合格。目前市場(chǎng)上的試驗(yàn)機(jī)種類很多，比如：JJ-909A、WDW532、YES312等型號(hào)的試驗(yàn)機(jī)，這些試驗(yàn)機(jī)能夠完成一些簡(jiǎn)單的檢測(cè)試驗(yàn)，并達(dá)到一定的自動(dòng)化程度，但同時(shí)也存在一些問題：1)完成的試驗(yàn)種類較為單一，即每一類材料的測(cè)試都需要專門的試驗(yàn)機(jī)完成，檢測(cè)多種材料的性能就需要多臺(tái)不同的試驗(yàn)機(jī)完成，這樣不僅占用了大量的空間。同時(shí)還需要大量的成本投入；2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法過于簡(jiǎn)單，而且操作復(fù)雜，帶來大量不必要的人力、物力的浪費(fèi)。
針對(duì)目前試驗(yàn)機(jī)存在的上述問題，提出一種新型安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該方案以雙ATmega128單片機(jī)為控制核心，通過外擴(kuò)不同的檢測(cè)控制模塊將鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶等特性檢測(cè)融為一體。該試驗(yàn)機(jī)可以完成直角扣件抗滑、直角扣件抗破壞、直角扣件扭轉(zhuǎn)剛度、旋轉(zhuǎn)扣件抗滑、旋轉(zhuǎn)扣件抗破壞、對(duì)接扣件抗拉、底座抗破壞、安全帽側(cè)向剛性自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)和安全網(wǎng)、安全帶性能檢測(cè)相關(guān)試驗(yàn)等15種安全檢測(cè)試驗(yàn)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)表明：該安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)具有檢測(cè)過程簡(jiǎn)單、操作方便、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)多種材料特性檢測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程的數(shù)字化和自動(dòng)化，比以往的試驗(yàn)機(jī)具有更大的推廣價(jià)值。

1 試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／15831-2006、GB／16909-1997和GB／6096-85的要求，鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶的測(cè)試都是利用安檢設(shè)備對(duì)被測(cè)材料施加一定值的壓力或拉力后，測(cè)出被測(cè)材料相應(yīng)點(diǎn)的位移值是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，或觀察被測(cè)材料是否被破壞，判斷被測(cè)材料是否合格。本文所提出的安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)總體上以控制器控制三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)材料施加壓力或拉力，利用高精度的拉／壓力和位移傳感器檢測(cè)力值和位移值，并以此作為判斷的依據(jù)。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1中，選用ABB．SEMIKRON公司的A100-3022變頻器作為電動(dòng)機(jī)的控制單元，以JLBZ-2T拉／壓力傳感器對(duì)被測(cè)材料的拉／壓力進(jìn)行采集。并且選用兩塊WBD-30百分表作為位移傳感器檢測(cè)兩路位移量。

2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì)
控制器是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的控制核心，由于控制、檢測(cè)任務(wù)較多，使用單一單片機(jī)難以滿足實(shí)時(shí)性的要求，控制器是以雙ATmega128為控制核心，外擴(kuò)有信號(hào)調(diào)理電路、模擬量采集電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入／輸出電路，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘控制、鍵盤操作和LCD顯示等輔助電路，控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2中雙ATmega128之間通過高速雙端口RAMIDT7130實(shí)現(xiàn)通信和信息共享；D／A轉(zhuǎn)換電路主要用于輸出模擬電壓信號(hào)以控制變頻器的頻率，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和拉／壓力大小的控制；信號(hào)調(diào)理電路用于對(duì)拉／壓力傳感器和位移傳感器輸出信號(hào)的放大和濾波，并利用以AD7718為核心的模擬量采集電路進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)換；開關(guān)量輸入／輸出電路主要用于升降機(jī)構(gòu)上下限位的檢測(cè)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

2．1 雙ATmega128通信模塊
由于該安檢力學(xué)試驗(yàn)機(jī)完成的試驗(yàn)種類較多，僅靠1片ATmega128單片機(jī)無法滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使用2片ATmega128單片機(jī)分工完成各項(xiàng)功能，其中主ATmega128單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入判斷和輸出控制，及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串行通信、時(shí)鐘控制、鍵盤操作和液晶顯示等輔助功能；從ATmega128單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)A／D采樣控制、D／A轉(zhuǎn)換輸出控制以及壓力和位移傳感器數(shù)據(jù)的換算等。主從兩單片機(jī)通過IDT7130實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)共享。IDT7130是1 Kx8位高速雙端口靜態(tài)RAM，它的兩個(gè)端口可獨(dú)立訪問存儲(chǔ)器內(nèi)的任意存儲(chǔ)單元。具體應(yīng)用電路如圖3所示。

2．2 信號(hào)調(diào)理電路
本系統(tǒng)主要采集的模擬信號(hào)是持續(xù)遞增的拉／壓力傳感器輸出信號(hào)和兩路位移傳感器輸出信號(hào)，拉／壓力傳感器的輸出信號(hào)范圍為0．015～20 mV。位移傳感輸出的數(shù)據(jù)范圍是0．01～15 mV。由于AD7718能轉(zhuǎn)換的信號(hào)范圍是20 mV～2．56 V，信號(hào)在進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前必須經(jīng)過放大和濾波才能準(zhǔn)確地反映傳感器所輸出的數(shù)值。本設(shè)計(jì)選用AD8221對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大。AD8221是具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移、低增益漂移和高增益精度等特性的增益可編程高性能儀表放大器，其突出優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的共模抑制性能。AD8221通過單一電阻即可實(shí)現(xiàn)1～1 000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。