引言

　　研制高性能生態(tài)陶瓷性能檢測儀具有重要的現(xiàn)實意義,。本文以陶瓷材料的綜合性能為研究對象,，進行陶瓷透氣度性能檢測儀的研制。為了實現(xiàn)智能化和可視化,，采用數(shù)據(jù)吞吐率高的ATmega128單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片,，用北京亞控公司的可視化高的組態(tài)王軟件作整個陶瓷性能檢測流程的監(jiān)控系統(tǒng)。結合二者的優(yōu)勢,，設計一個便于操作,，檢測精度高的陶瓷檢測系統(tǒng)。

　　檢測原理如下：室溫下,，檢測在壓力差為1 mm水柱時1 h內(nèi)以層流狀態(tài)通過厚度為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)結構及組成

　　基于AVR ATmega128單片機和北京亞控公司的組態(tài)軟件的陶瓷檢測系統(tǒng),，主要由上層控制系統(tǒng)和下層節(jié)點控制單元構成,，結構圖如圖1所示。上層控制系統(tǒng)由上位機控制軟件,、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)采用了總線結構,、模塊化的設計方法，各部分組建方式靈活,，并具有良好的可擴展性,。控制系統(tǒng)還可外接通信模塊,，與上位機通信,，將數(shù)據(jù)信息上傳。AVR嵌入式控制器對執(zhí)行機構發(fā)出控制指令,，對電機的轉速進行控制,，從而實現(xiàn)對壓力的檢測與控制。

　　上位機控制部分：主要由總線接口和上位機兩部分構成,。其中總線接口一端和總線相連完成和總線的通信;另一端和上位機連接完成和上位機的通信,。它的主要功能是將上位機的操作信號和控制參數(shù)傳送給指定的下位機節(jié)點。同時,，將節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給上位機做進一步處理,。它和上位機之間的通信是通過RS 232串行口和上位機交換數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)場控制部分：現(xiàn)場控制層為系統(tǒng)的底層,，它首先由信號采集調(diào)理模塊通過RS 232總線和上位機通信,。然后由帶有總線接口的變送器和執(zhí)行器來實現(xiàn)具體操作，它們之間通過RS 485總線進行通信,，完成全部的控制工作,。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　從功能上來劃分，整個系統(tǒng)分為液位檢測模塊,、PWM控制電機模塊,、恒壓控制模塊、信號采集調(diào)理模塊,、人機界面五部分,。

　　主控模塊采用Atmel公司的高性能、低功耗的8位AVR微處理器,。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達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JTAG接口實現(xiàn)對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)字外設及其他功能部件：內(nèi)置FLASH程序存儲器,、內(nèi)部RAM,，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM,。高速、流水線結構的內(nèi)核,，真正10位,、100KSPS的8通道ADC，512 KB的E2PROM,，擦寫壽命為100 000次,。可工作于主機/從機模式的SPI串行接口具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器,。

2.1 壓力傳感器調(diào)理電路設計

　　信號采集調(diào)理模塊中壓力傳感器部分采用DG通用系列標準型全不銹鋼焊接結構壓力變送器,，精確度最高可達0.1%FS，具有小體積,、高性能,、高性價比、高穩(wěn)定性,、高靈敏度等特點,。差壓傳感器電壓信號經(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,。設計的壓力傳感器信號處理電路如圖2所示,。

　　2.2 紅外液位檢測電路設計

　　為了自動檢測單位體積的檢測液的流動速度，在玻璃容器的輸入,、輸出口分別安裝了紅外檢測系統(tǒng),。這里設計的紅外光源驅動電路如圖3所示。其中+12 V電壓通過兩個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來驅動三極管的導通與截止,，驅動發(fā)光二極管。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 控制算法的設計

　　為了實現(xiàn)陶瓷檢測設備高精度,、反應速度快,、寬測量范圍的性能指標要求。設計的陶瓷檢測控制軟件采用PID控制算法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制的隸屬度函數(shù)相結合的方法,，來完成對各個模塊的控制,。實現(xiàn)參數(shù)標定、設置,、透氣度測量,、恒壓信號(PWM信號)輸出等功能。軟件完成初始化設置后,，進行壓力信號的數(shù)據(jù)采集與處理,、恒壓控制輸出等。根據(jù)實際工況,，壓力信號變化范圍太大時,，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,，當誤差范圍比較大時會根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法來粗調(diào)PWM信號,，當距10 000 Pa范圍較小時再采用PID精確調(diào)節(jié)，保證輸出的PWM信號在設計范圍內(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,。而液位上升的過程具有非線性、時變性及不確定性等特點,，對于這類系統(tǒng)采用固定參數(shù)PID控制很難實現(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表達容易的特點和神經(jīng)網(wǎng)絡自學習能力強的優(yōu)勢相結合,，取長補短,，以提高整個系統(tǒng)的學習能力和表達能力，實現(xiàn)電機的在線智能調(diào)速,。通過該智能控制系統(tǒng),，將模糊控制規(guī)律和隸屬函數(shù)隱含地分布在整個網(wǎng)絡中，用神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)模糊推理,，用神經(jīng)網(wǎng)絡的在線自學習能力來調(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)設定速度和環(huán)境狀態(tài)變化而自動調(diào)整，實現(xiàn)速度的智能控制,。

　　實驗結果表明,，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,，保證其在設計值范圍內(nèi),，并且進一步提高了系統(tǒng)檢測精度。

3.2 數(shù)據(jù)通信設計

　　本系統(tǒng)的通信主要采用了信號采集調(diào)理模塊來完成數(shù)據(jù)采集,。該模塊是以ATmega128單片機為核心的陶瓷檢測智能控制儀重要組成部分,。ATmega128片內(nèi)含128 KB ISP的可反復擦寫10 000次的FLASH只讀程序存儲器。對壓力傳感器的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和設定并記錄到數(shù)據(jù)庫,。主控界面中的參數(shù)是通過數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場總線RS 485傳輸過來的智能儀表的參數(shù),。

　　由于組態(tài)王和單片機進行通信的數(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,、停止位和奇偶檢驗等必須在協(xié)議中進行定義,。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,，按照設計要求把數(shù)據(jù)類型分為字節(jié)和無符號整型兩類，分別占1 B和2 B的空間,。因此分配時不能有重疊現(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)的設計開發(fā)

　　設計時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)庫工具,，開發(fā)了此監(jiān)控軟件如圖4所示,。人機界面分為以下幾個頁面：登陸畫面、主畫面,、測試方形試樣參數(shù)畫面,、測試圓形試樣畫面、報警畫面,、數(shù)據(jù)查詢畫面,、報表打印畫面等。

　　下面具體介紹主要的幾個模塊：

　　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,、測量數(shù)據(jù)(輸入兩個壓力值)，在測試時系統(tǒng)會自動計時,，同時不斷地采集壓力數(shù)據(jù)信息,，然后根據(jù)系統(tǒng)設計的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器來快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)PWM輸出，進而調(diào)節(jié)電機的轉速,，最終確保壓力恒定在設計的要求范圍內(nèi),。

　　3.3.2 報警模塊功能

　　本系統(tǒng)中主要的報警項有兩種：一是當儲水箱中的指針高出水液面一定時間后就要發(fā)出報警信號;二是壓力傳感器超過設定值時也要發(fā)出報警信號。

　　3.3.3 報表打印模塊功能

　　報表打印模塊是對每天生產(chǎn)過程中的一些重要參數(shù)進行報表打印,，以便對生產(chǎn)情況進行備案,，一張報表可選定16個參數(shù)，此為固定的報表格式,。如圖5所示,。

　　組態(tài)軟件開發(fā)的人機界面有兩個顯著的優(yōu)點：一是實際操作時，先登陸界面設定好初始參數(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)的提示來完成操作，自動化程度高,。如進入主界面后系統(tǒng)會提示安裝樣品,，接著會提示系統(tǒng)氣密性檢查等。二是主界面生動形象,。如：當每一步操作進行時,，圖中相應的器件也會運行起來，可以模擬實際現(xiàn)場的工作狀態(tài)。

　　4 結語

　　本系統(tǒng)已于2009年經(jīng)過完善后應用在陶瓷檢測科研項目中,，得到了用戶的好評,，不僅提高了自動化檢測程度，同時也提高了測試精度,，節(jié)省了工作人員,。在長時間使用期間，滿足了用戶的需求,。