引言

　　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(xiàn)接口組成,。下層控制單元由壓力采集變送板,、控制CPU、總線(xiàn)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(xiàn)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,。控制系統(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(xiàn)接口和上位機(jī)兩部分構(gòu)成,。其中總線(xiàn)接口一端和總線(xiàn)相連完成和總線(xiàn)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(xiàn)和上位機(jī)通信,。然后由帶有總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)核,，真正10位,、100KSPS的8通道ADC，512 KB的E2PROM,，擦寫(xiě)壽命為100 000次,。可工作于主機(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(mén)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?xún)r(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(xiàn)性控制,。而液位上升的過(guò)程具有非線(xiàn)性、時(shí)變性及不確定性等特點(diǎn),，對(duì)于這類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiě)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(xiàn)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(lèi)型分為字節(jié)和無(wú)符號(hào)整型兩類(lèi)，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(kāi)發(fā)

　　設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了北京亞控公司開(kāi)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(kāi)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(huà)面、主畫(huà)面,、測(cè)試方形試樣參數(shù)畫(huà)面,、測(cè)試圓形試樣畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面,、數(shù)據(jù)查詢(xún)畫(huà)面,、報(bào)表打印畫(huà)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(kāi)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)

　　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(hù)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(mǎn)足了用戶(hù)的需求,。