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)試驗機(jī)檢測其性能，即對其施加一定數(shù)值的拉力或壓力，然后測出被測材料的形變程度或破壞程度是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)，判斷被測材料是否合格。目前市場上的試驗機(jī)種類很多，比如：JJ-909A、WDW532、YES312等型號的試驗機(jī)，這些試驗機(jī)能夠完成一些簡單的檢測試驗，并達(dá)到一定的自動化程度，但同時也存在一些問題：1）完成的試驗種類較為單一，即每一類材料的測試都需要專門的試驗機(jī)完成，檢測多種材料的性能就需要多臺不同的試驗機(jī)完成，這樣不僅占用了大量的空間。同時還需要大量的成本投入；2）對試驗數(shù)據(jù)的處理方法過于簡單，而且操作復(fù)雜，帶來大量不必要的人力、物力的浪費。
　　
　　針對目前試驗機(jī)存在的上述問題，提出一種新型安檢力學(xué)試驗機(jī)的設(shè)計方案。該方案以雙ATmega128單片機(jī)為控制核心，通過外擴(kuò)不同的檢測控制模塊將鋼管腳手架、安全網(wǎng)和安全帶等特性檢測融為一體。該試驗機(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、對接扣件抗拉、底座抗破壞、安全帽側(cè)向剛性自動檢測試驗和安全網(wǎng)、安全帶性能檢測相關(guān)試驗等15種安全檢測試驗。經(jīng)過大量的試驗表明：該安檢力學(xué)試驗機(jī)具有檢測過程簡單、操作方便、功能完善等優(yōu)點，在實現(xiàn)多種材料特性檢測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了檢測過程的數(shù)字化和自動化，比以往的試驗機(jī)具有更大的推廣價值。
　　
　　1、試驗機(jī)總體設(shè)計
　　
　　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)和安全帶的測試都是利用安檢設(shè)備對被測材料施加一定值的壓力或拉力后，測出被測材料相應(yīng)點的位移值是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，或觀察被測材料是否被破壞，判斷被測材料是否合格。本文所提出的安檢力學(xué)試驗機(jī)總體上以控制器控制三相異步電動機(jī)帶動升降機(jī)構(gòu)對被測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力值和位移值，并以此作為判斷的依據(jù)?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。　　
　　圖1中，選用ABB．SEMIKRON公司的A100-3022變頻器作為電動機(jī)的控制單元，以JLBZ-2T拉／壓力傳感器對被測材料的拉／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兩路位移量。
　　
　　2、控制器的硬件電路設(shè)計
　　
　　控制器是整個試驗機(jī)的控制核心，由于控制、檢測任務(wù)較多，使用單一單片機(jī)難以滿足實時性的要求，控制器是以雙ATmega128為控制核心，外擴(kuò)有信號調(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、時鐘控制、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以控制變頻器的頻率，從而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和拉／壓力大小的控制；信號調(diào)理電路用于對拉／壓力傳感器和位移傳感器輸出信號的放大和濾波，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)試驗機(jī)完成的試驗種類較多，僅靠1片ATmega128單片機(jī)無法滿足系統(tǒng)的實時性要求。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使用2片ATmega128單片機(jī)分工完成各項功能，其中主ATmega128單片機(jī)主要實現(xiàn)開關(guān)量輸入判斷和輸出控制，及數(shù)據(jù)存儲、串行通信、時鐘控制、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實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)共享。IDT7130是1Kx8位高速雙端口靜態(tài)RAM，它的兩個端口可獨立訪問存儲器內(nèi)的任意存儲單元。具體應(yīng)用電路如圖3所示。　　
　　2．2信號調(diào)理電路
　　
　　本系統(tǒng)主要采集的模擬信號是持續(xù)遞增的拉／壓力傳感器輸出信號和兩路位移傳感器輸出信號，拉／壓力傳感器的輸出信號范圍為0．015～20mV。位移傳感輸出的數(shù)據(jù)范圍是0．01～15mV。由于AD7718能轉(zhuǎn)換的信號范圍是20mV～2．56V，信號在進(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)計選用AD8221對傳感器信號進(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)點是優(yōu)異的共模抑制性能。AD8221通過單一電阻即可實現(xiàn)1～1000的范圍內(nèi)設(shè)置增益。信號調(diào)理電路如圖4所示。　　
　　圖4中，RG為增益電阻，IN1和IN2為傳感器輸出的2個差分信號，電容C1、C2以及4．02kΩ電阻構(gòu)成射頻干擾抑制電路。其中電容C1抑制的是差動干擾信號，C2抑制的是兩輸入端的共模干擾；根據(jù)AD8221數(shù)據(jù)手冊，選用300Ω的增益電阻將信號放大100倍左右，即將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換到0～2．5V范圍內(nèi)。在本設(shè)計中，共使用3路放大電路，分別對拉／壓力傳感器和2路位移傳感器輸出信號調(diào)理。
　　
　　2．3模擬量采集電路
　　
　　本系統(tǒng)對于模擬信號采集精度的要求很高，ATmega128單片機(jī)內(nèi)部10位A／D轉(zhuǎn)換器無法滿足。根據(jù)要求選用美國ADI公司的低噪聲、高分辨率和基于∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)的24位A／D轉(zhuǎn)換器AD7718。該器件8／10通道單端輸入，具有增益可編程。本設(shè)計中，傳感器輸出信號經(jīng)過放大濾波等處理后，可看作為差分信號，因此通過軟件配置AD7718為8通道單端輸入模式。設(shè)計時使用低溫漂和低噪聲的AD780輸出2．5V電壓作為參考電源。此外AD7718在使用時必須將模擬地和數(shù)字地隔離開來，這樣可消除任何耦合到AD7718模擬部分的高頻噪聲，其電路如圖5所示。　　
　　2．4變頻器控制模塊
　　
　　根據(jù)不同試驗的要求，需要控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，本設(shè)計通過單片機(jī)控制變頻器來實現(xiàn)這些功能。設(shè)計中使用開關(guān)量輸出控制變頻器A100-3022的外部端子FWD、REV來實現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，將AD5324的輸出經(jīng)電壓跟隨處理后連接到變頻器的外部輸入端子+5VIN，利用該0～5V之間的電壓信號控制變頻器的輸出頻率。具體實現(xiàn)框圖如圖6所示。　　
　　2．4．1D／A轉(zhuǎn)換電路
　　
　　根據(jù)不同的試驗，對電動機(jī)所帶動的升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度有嚴(yán)格的要求，利用變頻器的面板的按鍵操作或者外部電位器對變頻器的頻率進(jìn)行給定，這種對頻率的改變實時性較差，而且也無法實現(xiàn)自動操作。本設(shè)計選用AD5324輸出0～5V電壓信號作為頻率調(diào)整的信號。AD5324為12位的D／A轉(zhuǎn)換器，0～REF的模擬輸出范圍。另外，在AD5324的輸出端增加一路由LM324構(gòu)成的電壓跟隨電路，用于增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力。
　　
　　2．4．2開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計
　　
　　本試驗機(jī)使用機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的限位開關(guān)ME-8104，作為升降機(jī)構(gòu)的上、下限位。設(shè)計時在限位開關(guān)與單片機(jī)端口之間增加光電隔離器，以有效地抑制尖峰脈沖，避免外部干擾噪聲進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)；開關(guān)量輸出主要用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在變頻器上有2路控制端子，直接用繼電器信號輸入即可。光耦隔離的開關(guān)量輸入輸出控制電路如圖7所示。不過需要注意的是：開關(guān)量輸出在連接到變頻器之前需要做正反轉(zhuǎn)控制信號互鎖，以免出現(xiàn)邏輯控制錯誤。　　
　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，軟件設(shè)計主要包括兩部分，即主、從ATmega128單片機(jī)兩部分的軟件設(shè)計。主單片機(jī)上電后，首先初始化，然后進(jìn)入用戶驗證界面：在試驗的主菜單界面中包括：用戶名和時間等設(shè)置、具體的試驗菜單和歷史記錄。在試驗界面中完成一個試驗后，用戶可選擇是否保存試驗的數(shù)據(jù)：歷史記錄界面里可以讀取以往所保存的試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)外部存儲器存滿數(shù)據(jù)后，用戶可以通過串口連接到PC機(jī)進(jìn)行打印。在每個界面的下方都有操作提示，并且有時鐘進(jìn)行實時顯示。主單片機(jī)的程序設(shè)計流程如圖8（a）所示。從ATmega128單片機(jī)上電后，首先初始化，然后進(jìn)入接收指令狀態(tài)。從單片機(jī)根據(jù)主ATmega128單片機(jī)發(fā)送來的指令分別進(jìn)行A／D或D／A轉(zhuǎn)換操作，并將處理的結(jié)果或轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送給主ATmega128單片機(jī)。從ATmega128單片機(jī)的軟件設(shè)計流程如圖8（b）所示。　　
　　4、實際應(yīng)用分析
　　
　　本系統(tǒng)經(jīng)過大量的測試試驗驗證，該試驗機(jī)的穩(wěn)定性好，而且試驗的結(jié)果直觀，所測試的試驗數(shù)據(jù)均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。使用試驗機(jī)時可以直接按照液晶屏幕上的提示進(jìn)行各種實驗操作。部分操作界面如圖9所示。以直角扣件抗滑試驗的試驗結(jié)果為例，對多個不同直角扣件分別做抗滑試驗結(jié)果如表1所示。　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　采用ATmega128單片機(jī)設(shè)計的安檢力學(xué)試驗機(jī)具有數(shù)據(jù)采集精度高、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠等特點。相對于以往的試驗機(jī)，所設(shè)計的力學(xué)安檢試驗機(jī)具有相對成本低、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、操作安全、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。本試驗機(jī)在使用過程中出現(xiàn)一些機(jī)械布局不太合理等缺點，在今后設(shè)計中有待于進(jìn)一步的升級改進(jìn)和提高。