基于單片機(jī)和組態(tài)王的陶瓷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)的陶瓷性能檢測(cè)儀自動(dòng)化程度不高、檢測(cè)精度低、檢測(cè)范圍比較窄，可視化差等情況，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于AVR ATmega128單片機(jī)和北京亞控公司的組態(tài)軟件的陶瓷檢測(cè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用虛擬儀器組態(tài)王作為上位機(jī)，輔以ATmega128單片機(jī)為核心的變參數(shù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，對(duì)陶瓷性能進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用表明，該系統(tǒng)檢測(cè)精度高、范圍廣、可視化程度高，使用方便。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；組態(tài)王；陶瓷性能；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言
    在城市的建設(shè)進(jìn)程中，越來(lái)越注重綠色環(huán)保理念，然而使用實(shí)心磚會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，因此空心磚的使用量急劇增長(zhǎng)。生產(chǎn)空心磚需要大量的生態(tài)陶瓷材料，但相應(yīng)的陶瓷材料的性能檢測(cè)工具還很不完善。研制高性能生態(tài)陶瓷性能檢測(cè)儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以陶瓷材料的綜合性能為研究對(duì)象，進(jìn)行陶瓷透氣度性能檢測(cè)儀的研制。
    為了實(shí)現(xiàn)智能化和可視化，采用數(shù)據(jù)吞吐率高的ATmega128單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片，用北京亞控公司的可視化高的組態(tài)王軟件作整個(gè)陶瓷性能檢測(cè)流程的監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一個(gè)便于操作，檢測(cè)精度高的陶瓷檢測(cè)系統(tǒng)。
    檢測(cè)原理如下：室溫下，檢測(cè)在壓力差為1 mm水柱時(shí)1 h內(nèi)以層流狀態(tài)通過(guò)厚度為1 cm、面積為1 m2的多孔陶瓷制品的氣體立方數(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
    基于AVR ATmega128單片機(jī)和北京亞控公司的組態(tài)軟件的陶瓷檢測(cè)系統(tǒng)，主要由上層控制系統(tǒng)和下層節(jié)點(diǎn)控制單元構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上層控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制軟件、通信總線接口組成。下層控制單元由壓力采集變送板、控制CPU、總線接口、壓力傳感器、壓力反饋通信接口、液位傳感器等部分組成的。系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)、模塊化的設(shè)計(jì)方法，各部分組建方式靈活，并具有良好的可擴(kuò)展性?？刂葡到y(tǒng)還可外接通信模塊，與上位機(jī)通信，將數(shù)據(jù)信息上傳。AVR嵌入式控制器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的檢測(cè)與控制。

    上位機(jī)控制部分：主要由總線接口和上位機(jī)兩部分構(gòu)成。其中總線接口一端和總線相連完成和總線的通信；另一端和上位機(jī)連接完成和上位機(jī)的通信。它的主要功能是將上位機(jī)的操作信號(hào)和控制參數(shù)傳送給指定的下位機(jī)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)做進(jìn)一步處理。它和上位機(jī)之間的通信是通過(guò)RS 232串行口和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。
    現(xiàn)場(chǎng)控制部分：現(xiàn)場(chǎng)控制層為系統(tǒng)的底層，它首先由信號(hào)采集調(diào)理模塊通過(guò)RS 232總線和上位機(jī)通信。然后由帶有總線接口的變送器和執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)具體操作，它們之間通過(guò)RS 485總線進(jìn)行通信，完成全部的控制工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    從功能上來(lái)劃分，整個(gè)系統(tǒng)分為液位檢測(cè)模塊、PWM控制電機(jī)模塊、恒壓控制模塊、信號(hào)采集調(diào)理模塊、人機(jī)界面五部分。
    主控模塊采用Atmel公司的高性能、低功耗的8位AVR微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)128 MIPS／MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。JTAG接口通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件：內(nèi)置FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM。高速、流水線結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，真正10位、100KSPS的8通道ADC，512 KB的E2PROM，擦寫壽命為100 000次?？晒ぷ饔谥鳈C(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。
2．1 壓力傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)采集調(diào)理模塊中壓力傳感器部分采用DG通用系列標(biāo)準(zhǔn)型全不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)壓力變送器，精確度最高可達(dá)0．1％FS，具有小體積、高性能、高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、高靈敏度等特點(diǎn)。差壓傳感器電壓信號(hào)經(jīng)濾波及正向跟隨后接分壓電阻。ATmega128內(nèi)部A／D直接從分壓電阻上采樣得到10位A／D值。設(shè)計(jì)的壓力傳感器信號(hào)處理電路如圖2所示。

2．2 紅外液位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    為了自動(dòng)檢測(cè)單位體積的檢測(cè)液的流動(dòng)速度，在玻璃容器的輸入、輸出口分別安裝了紅外檢測(cè)系統(tǒng)。這里設(shè)計(jì)的紅外光源驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中+12 V電壓通過(guò)兩個(gè)100 kΩ電阻加在放大器的兩端形成同相比例，放大電路放大倍數(shù)為Vi0=(1+Rf／R1)V來(lái)驅(qū)動(dòng)三極管的導(dǎo)通與截止，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 控制算法的設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)陶瓷檢測(cè)設(shè)備高精度、反應(yīng)速度快、寬測(cè)量范圍的性能指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)的陶瓷檢測(cè)控制軟件采用PID控制算法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法，來(lái)完成對(duì)各個(gè)模塊的控制。實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定、設(shè)置、透氣度測(cè)量、恒壓信號(hào)(PWM信號(hào))輸出等功能。軟件完成初始化設(shè)置后，進(jìn)行壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理、恒壓控制輸出等。根據(jù)實(shí)際工況，壓力信號(hào)變化范圍太大時(shí)，系統(tǒng)將處于等待狀態(tài)，直到壓力被調(diào)節(jié)到9 500～10 050 Pa的范圍要求。同時(shí)，當(dāng)誤差范圍比較大時(shí)會(huì)根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)粗調(diào)PWM信號(hào)，當(dāng)距10 000 Pa范圍較小時(shí)再采用PID精確調(diào)節(jié)，保證輸出的PWM信號(hào)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
    普通的PID控制是反饋控制系統(tǒng)中取偏差的比例、積分、微分的組合控制。固定參數(shù)PID控制屬于線性控制。而液位上升的過(guò)程具有非線性、時(shí)變性及不確定性等特點(diǎn)，對(duì)于這類系統(tǒng)采用固定參數(shù)PID控制很難實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，因此采用了變參數(shù)控制的方法。
    這里將模糊控制知識(shí)表達(dá)容易的特點(diǎn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高整個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力和表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的在線智能調(diào)速。通過(guò)該智能控制系統(tǒng)，將模糊控制規(guī)律和隸屬函數(shù)隱含地分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊推理，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線自學(xué)習(xí)能力來(lái)調(diào)整隸屬函數(shù)和改變模糊控制規(guī)律，使控制系統(tǒng)工作狀態(tài)可根據(jù)設(shè)定速度和環(huán)境狀態(tài)變化而自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)速度的智能控制。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效控制PWM輸出的穩(wěn)定性，近而可以很好的穩(wěn)定壓力，保證其在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，并且進(jìn)一步提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度。
3．2 數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的通信主要采用了信號(hào)采集調(diào)理模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。該模塊是以ATmega128單片機(jī)為核心的陶瓷檢測(cè)智能控制儀重要組成部分。ATmega128片內(nèi)含128 KB ISP的可反復(fù)擦寫10 000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器。對(duì)壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和設(shè)定并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)。主控界面中的參數(shù)是通過(guò)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)總線RS 485傳輸過(guò)來(lái)的智能儀表的參數(shù)。
    由于組態(tài)王和單片機(jī)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)格式是ASCII碼，所以提前定義控制系統(tǒng)和上位機(jī)間的通信協(xié)議，其中如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶檢驗(yàn)等必須在協(xié)議中進(jìn)行定義。首先要在組態(tài)王中把地址分配給要通信的數(shù)據(jù)變量，按照設(shè)計(jì)要求把數(shù)據(jù)類型分為字節(jié)和無(wú)符號(hào)整型兩類，分別占1 B和2 B的空間。因此分配時(shí)不能有重疊現(xiàn)象，為提高通信速度這里使用連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)。
3．3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)
    設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王元件的可視化及其集成的可視化數(shù)據(jù)庫(kù)工具，開發(fā)了此監(jiān)控軟件如圖4所示。人機(jī)界面分為以下幾個(gè)頁(yè)面：登陸畫面、主畫面、測(cè)試方形試樣參數(shù)畫面、測(cè)試圓形試樣畫面、報(bào)警畫面、數(shù)據(jù)查詢畫面、報(bào)表打印畫面等。

    下面具體介紹主要的幾個(gè)模塊：
3．3．1 參數(shù)模塊功能
    本系統(tǒng)中包括試樣的形狀、試樣的尺寸、測(cè)量數(shù)據(jù)(輸入兩個(gè)壓力值)，在測(cè)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，同時(shí)不斷地采集壓力數(shù)據(jù)信息，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器來(lái)快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)PWM輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終確保壓力恒定在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)。
3．3．2 報(bào)警模塊功能
    本系統(tǒng)中主要的報(bào)警項(xiàng)有兩種：一是當(dāng)儲(chǔ)水箱中的指針高出水液面一定時(shí)間后就要發(fā)出報(bào)警信號(hào)；二是壓力傳感器超過(guò)設(shè)定值時(shí)也要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
3．3．3 報(bào)表打印模塊功能
    報(bào)表打印模塊是對(duì)每天生產(chǎn)過(guò)程中的一些重要參數(shù)進(jìn)行報(bào)表打印，以便對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行備案，一張報(bào)表可選定16個(gè)參數(shù)，此為固定的報(bào)表格式。如圖5所示。

    組態(tài)軟件開發(fā)的人機(jī)界面有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是實(shí)際操作時(shí)，先登陸界面設(shè)定好初始參數(shù)，然后按照系統(tǒng)提示下一步操作。操作人員可根據(jù)系統(tǒng)的提示來(lái)完成操作，自動(dòng)化程度高。如進(jìn)入主界面后系統(tǒng)會(huì)提示安裝樣品，接著會(huì)提示系統(tǒng)氣密性檢查等。二是主界面生動(dòng)形象。如：當(dāng)每一步操作進(jìn)行時(shí)，圖中相應(yīng)的器件也會(huì)運(yùn)行起來(lái)，可以模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)
    (1)充分利用了ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率和強(qiáng)大的I／O端口保證了數(shù)據(jù)快速處理和及時(shí)通信的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器使得測(cè)試范圍在很大程度上變寬了并且測(cè)試精度也提高了。
    (2)利用組態(tài)王開發(fā)的上位機(jī)控制軟件，可以方便快捷地控制系統(tǒng)和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。
    (3)實(shí)際運(yùn)行表明本陶瓷測(cè)控系統(tǒng)無(wú)論是在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性都表現(xiàn)良好。
    本系統(tǒng)已于2009年經(jīng)過(guò)完善后應(yīng)用在陶瓷檢測(cè)科研項(xiàng)目中，得到了用戶的好評(píng)，不僅提高了自動(dòng)化檢測(cè)程度，同時(shí)也提高了測(cè)試精度，節(jié)省了工作人員。在長(zhǎng)時(shí)間使用期間，滿足了用戶的需求。