基于ATmega32的便攜式車門壓力測(cè)試儀的研制

摘要：車門壓力測(cè)試儀為便攜手持式結(jié)構(gòu)，采用專用壓力測(cè)試傳感器和測(cè)試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測(cè)地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測(cè)，及車門防夾保護(hù)功能檢測(cè)。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時(shí)間、試驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可以自動(dòng)有效的完成試驗(yàn)要求并自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果生成報(bào)表。

車輛車門尤其是列車等高速運(yùn)行車輛的車門是一個(gè)安全性能要求較高的產(chǎn)品，其各項(xiàng)性能指標(biāo)必須保持在一個(gè)相對(duì)安全的取值范圍內(nèi)，以保證車輛的安全運(yùn)行。這不僅要求制造廠家在產(chǎn)品制造過程中需要測(cè)試這些參數(shù)，同時(shí)在產(chǎn)品投入使用后的檢修保養(yǎng)過程中也需要檢測(cè)這些參數(shù)，做為產(chǎn)品的安全使用提供必要的參考信息;長(zhǎng)期以來，由于我國(guó)對(duì)檢測(cè)儀器的研制重視不夠，通常的檢測(cè)手段主要是靠檢測(cè)人員借助多種手工工具輔助進(jìn)行。

目前對(duì)于車門壓力的檢測(cè)方式多靠檢測(cè)人員借助手工工具進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式的主要缺陷是：1)測(cè)試裝置笨重，攜帶及操作不便;2)測(cè)試數(shù)據(jù)必須手動(dòng)記錄，信息的交流不便;3)測(cè)試適靠人工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，測(cè)試精度沒有保障;4)安全性差;5)測(cè)試的效率低。

本文研制的便攜式車門壓力檢測(cè)儀，采用專用壓力測(cè)試傳感器和測(cè)試管理系統(tǒng)組成，專門用于檢測(cè)地鐵車輛客室車門關(guān)緊力、最小障礙物探測(cè)，及車門防夾保護(hù)功能檢測(cè)。設(shè)備能夠設(shè)置和記錄開關(guān)門次數(shù)、時(shí)間、試驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)可以自動(dòng)有效的完成試驗(yàn)要求并自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果生成報(bào)表。設(shè)備采用USB方式作業(yè)轉(zhuǎn)存接口。

1 總體方案

本系統(tǒng)由ATmega32作為主控板的主控芯片。設(shè)計(jì)包括壓力采集系統(tǒng)、控制接口與顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、以及異常報(bào)警模塊。其主系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 ATmega32簡(jiǎn)介

Atmega32單片機(jī)是一款基于AVR R ISC、低功耗COMS的8位單片機(jī)，由于在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega32單片機(jī)可以達(dá)到接近16M IPS/MHz的性能，它的主要性能如下：

1)高性能，低功耗的8位AVR微控制器;

2)先進(jìn)的R ISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，130條功能強(qiáng)大的指令，大部分在單時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器;

3)片內(nèi)帶32K字節(jié)的在線自編程FLASH(擦寫次數(shù)1 000次)，1024個(gè)字節(jié)的EEPROM(擦寫次數(shù)100 000次)，2K字節(jié)內(nèi)部SRAM，并具有程序加密功能;

4)兩個(gè)帶預(yù)分頻器和一種比較模式的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)帶預(yù)分頻器和比較模式，捕獲模式的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有計(jì)數(shù)功能，且有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC);4路PWM通道;8通道的A/D轉(zhuǎn)換器，其中包括：6路10位轉(zhuǎn)換精度的通道，2路8位轉(zhuǎn)換精度的通道;帶片內(nèi)晶振的可編程看門狗定時(shí)器;片內(nèi)模擬比較器;

5)典型的微控制器特性：上電復(fù)位和可編程的欠電壓檢測(cè);在內(nèi)部可校準(zhǔn)的RC振蕩器;外部和內(nèi)部的中斷源共18個(gè);

6)高速超低功耗。

在ATMEL公司的單片機(jī)家族中，ATmega32是一個(gè)非常特殊的單片機(jī)，它采用Harvard結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，高速低功耗，低成本，非常適合用來設(shè)計(jì)便攜式車門壓力檢測(cè)儀裝置。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器介紹

壓力傳感器采用量程500N的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，該傳感器采用S型彈性元件結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的自然性，精度高，抗偏載側(cè)向能力強(qiáng);

測(cè)量精度 1‰

輸出電壓 DC 0～4.5 V

工作電壓 DC 5 V

線 長(zhǎng) 200 mm

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 信號(hào)調(diào)理電路

采集系統(tǒng)主要是采集車門壓力信息，把車門壓力值經(jīng)過信號(hào)處理放大后送入MCU數(shù)字化，以供作為判斷壓力是否屬于安全壓力范圍和異常報(bào)警依據(jù)。信號(hào)調(diào)理電路如圖2。

3.2.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是為各個(gè)系統(tǒng)供電，裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC—DC開關(guān)電源，DC—DC開關(guān)電源具有極寬的輸入范圍。所有電源均設(shè)計(jì)有保護(hù)電路。這樣的設(shè)計(jì)有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2.3 人機(jī)交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線型，具有全硬件實(shí)現(xiàn)。不死機(jī)，穩(wěn)定可靠。其液晶模塊圖如圖3所示。

3.2.4 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)采用24C32(32K Bit存儲(chǔ)容量)，在優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式后可以保存數(shù)據(jù)1 000組，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的需求。存儲(chǔ)器采用IIC兩線制接口，節(jié)省單片機(jī)資源。如圖4所示。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

ATmega32在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言，它既有普通高級(jí)語言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級(jí)語言對(duì)硬件訪問方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是用C語言編程實(shí)現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

車門壓力測(cè)試儀最重要的數(shù)據(jù)來源就是車門壓力。車門壓力通過專用的車門壓力傳感器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)。單片機(jī)對(duì)弱電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的采樣隨著車門的壓力波動(dòng)很大，這時(shí)濾波程序設(shè)計(jì)的好壞就非常重要。下面介紹下程序里的濾波部分：

濾波的方法有很多種，幾種嵌入式常用的濾波方法為：中位值濾波，算術(shù)平均濾波，滑動(dòng)濾波等。

在試過了幾種濾波算法的效果之后，我們采用了滑動(dòng)濾波，程序代碼如下：

程序思路為：先將采樣數(shù)據(jù)放置到gu32First數(shù)組里，在根據(jù)菜單的配置選擇gu32First的數(shù)組濾波的個(gè)數(shù)，每8個(gè)一組。選的組數(shù)越多濾波越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢。所以可以根據(jù)使用情況對(duì)濾波進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語

基于ATmega32單片機(jī)的便攜式車門壓力測(cè)試儀具有響應(yīng)速度快、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，并且減少了外圍接口器件，提高了系統(tǒng)工作可靠性。

在實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)時(shí)測(cè)試各種常用車門的性能指標(biāo)，具有使用簡(jiǎn)單、可靠、維修方便、容易、操作安全、靈活等多種優(yōu)點(diǎn)，具有輸出拉力直接顯示，和數(shù)據(jù)保存功能。方便后期的數(shù)據(jù)分析，為各種機(jī)車車門的設(shè)計(jì)提供了重要的測(cè)試數(shù)據(jù)。