基于ATmega32的便攜式車門壓力測試儀設計

摘要：車門壓力測試儀為便攜手持式結構，采用專用壓力測試傳感器和測試管理系統組成，專門用于檢測地鐵車輛客室車門關緊力、最小障礙物探測，及車門防夾保護功能檢測。設備能夠設置和記錄開關門次數、時間、試驗項目，系統可以自動有效的完成試驗要求并自動記錄試驗結果生成報表。

車輛車門尤其是列車等高速運行車輛的車門是一個安全性能要求較高的產品，其各項性能指標必須保持在一個相對安全的取值范圍內，以保證車輛的安全運行。這不僅要求制造廠家在產品制造過程中需要測試這些參數，同時在產品投入使用后的檢修保養過程中也需要檢測這些參數，做為產品的安全使用提供必要的參考信息;長期以來，由于我國對檢測儀器的研制重視不夠，通常的檢測手段主要是靠檢測人員借助多種手工工具輔助進行。

目前對于車門壓力的檢測方式多靠檢測人員借助手工工具進行檢測，這種檢測方式的主要缺陷是：1)測試裝置笨重，攜帶及操作不便;2)測試數據必須手動記錄，信息的交流不便;3)測試適靠人工憑經驗進行，測試精度沒有保障;4)安全性差;5)測試的效率低。

本文研制的便攜式車門壓力檢測儀，采用專用壓力測試傳感器和測試管理系統組成，專門用于檢測地鐵車輛客室車門關緊力、最小障礙物探測，及車門防夾保護功能檢測。設備能夠設置和記錄開關門次數、時間、試驗項目，系統可以自動有效的完成試驗要求并自動記錄試驗結果生成報表。設備采用USB方式作業轉存接口。

1 總體方案

本系統由ATmega32作為主控板的主控芯片。設計包括壓力采集系統、控制接口與顯示系統、電源系統、數據存儲與數據導入模塊、以及異常報警模塊。其主系統框圖如圖1所示。

2 ATmega32簡介

Atmega32單片機是一款基于AVR R ISC、低功耗COMS的8位單片機，由于在一個時鐘周期內執行一條指令，Atmega32單片機可以達到接近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)先進的R ISC精簡指令集結構，130條功能強大的指令，大部分在單時鐘周期內執行，片內帶有執行時間為兩個時鐘周期的硬件乘法器;

3)片內帶32K字節的在線自編程FLASH(擦寫次數1 000次)，1024個字節的EEPROM(擦寫次數100 000次)，2K字節內部SRAM，并具有程序加密功能;

4)兩個帶預分頻器和一種比較模式的8位定時/計數器，一個帶預分頻器和比較模式，捕獲模式的16位定時/計數器，具有計數功能，且有獨立振蕩器的實時時鐘(RTC);4路PWM通道;8通道的A/D轉換器，其中包括：6路10位轉換精度的通道，2路8位轉換精度的通道;帶片內晶振的可編程看門狗定時器;片內模擬比較器;

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

6)高速超低功耗。

在ATMEL公司的單片機家族中，ATmega32是一個非常特殊的單片機，它采用Harvard結構，芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，高速低功耗，低成本，非常適合用來設計便攜式車門壓力檢測儀裝置。

3 系統設計

3.1 傳感器介紹

壓力傳感器采用量程500N的電阻應變式壓力傳感器，該傳感器采用S型彈性元件結構，具有優良的自然性，精度高，抗偏載側向能力強;

測量精度 1‰

輸出電壓 DC 0～4.5 V

工作電壓 DC 5 V

線 長 200 mm

3.2 硬件電路設計

3.2.1 信號調理電路

采集系統主要是采集車門壓力信息，把車門壓力值經過信號處理放大后送入MCU數字化，以供作為判斷壓力是否屬于安全壓力范圍和異常報警依據。信號調理電路如圖2。

3.2.2 電源系統

電源系統主要是為各個系統供電，裝置主要需要5 V、3.3 V等電源，均采用模塊化的DC—DC開關電源，DC—DC開關電源具有極寬的輸入范圍。所有電源均設計有保護電路。這樣的設計有助于提高系統的可靠性。

3.2.3 人機交互界面

采用3.5寸彩色液晶屏，該顯示器采用TFT總線型，具有全硬件實現。不死機，穩定可靠。其液晶模塊圖如圖3所示。

3.2.4 存儲器

存儲采用24C32(32K Bit存儲容量)，在優化數據存儲格式后可以保存數據1 000組，滿足現場使用的需求。存儲器采用IIC兩線制接口，節省單片機資源。如圖4所示。

3.3 軟件設計

ATmega32在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設計嵌入式系統的標準語言，它既有普通高級語言結構化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點。本設計是用C語言編程實現的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖5所示。

車門壓力測試儀最重要的數據來源就是車門壓力。車門壓力通過專用的車門壓力傳感器，將壓力信號轉化為弱電信號。單片機對弱電信號進行模數轉換。數據的采樣隨著車門的壓力波動很大，這時濾波程序設計的好壞就非常重要。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，算術平均濾波，滑動濾波等。

在試過了幾種濾波算法的效果之后，我們采用了滑動濾波，程序代碼如下：