基于單片機和組態王的陶瓷檢測系統設計

摘 要：針對國內的陶瓷性能檢測儀自動化程度不高、檢測精度低、檢測范圍比較窄，可視化差等情況，設計開發了一種基于AVR ATmega128單片機和北京亞控公司的組態軟件的陶瓷檢測實時控制系統。該系統運用虛擬儀器組態王作為上位機，輔以ATmega128單片機為核心的變參數的模糊神經網絡PID控制器，對陶瓷性能進行檢測。經現場使用表明，該系統檢測精度高、范圍廣、可視化程度高，使用方便。

關鍵詞：單片機； 組態王； 陶瓷性能； 檢測系統

中圖分類號：TN915-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0199-03

Design of Ceramic Detecting System Based on Single-chip

Microcomputer and Configuration King

LAI Jin-gang， LIU Jiao-yu

(Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China)

Abstract： Aiming at the disadvantages of lower automation， low accuracy， narrow detection range and low visual ability of domestic ceramic detecting system， a kind of ceramic detecting and real-time controlling system based on the single-chip microcomputers AVR ATmega128 and the configuration software designed by Configuration King of the Beijing YAKONG Company is developed. Taking the virtual instrument of configuration king as a host computer， the performance of ceramic is detected in combination with the variant parameter PID controlling technique by using of ATmega128. The experiment shows that the detecting system has accurate data， wide range， higher visualization degree， and convenient use.

Keywords： single-chip microcomputer; configuration king; ceramic performance; detecting system

0 引 言

在城市的建設進程中，越來越注重綠色環保理念，然而使用實心磚會造成資源的巨大浪費，因此空心磚的使用量急劇增長。生產空心磚需要大量的生態陶瓷材料，但相應的陶瓷材料的性能檢測工具還很不完善［1］。研制高性能生態陶瓷性能檢測儀具有重要的現實意義。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。

為了實現智能化和可視化，采用數據吞吐率高的ATmega128單片機作為系統的主控制芯片，用北京亞控公司的可視化高的組態王軟件作整個陶瓷性能檢測流程的監控系統。結合二者的優勢，設計一個便于操作，檢測精度高的陶瓷檢測系統。

檢測原理如下：室溫下，檢測在壓力差為1 mm水柱時1 h內以層流狀態通過厚度為1 cm、面積為1 m2的多孔陶瓷制品的氣體立方數。

1 系統結構及組成

基于AVR ATmega128單片機和北京亞控公司的組態軟件的陶瓷檢測系統，主要由上層控制系統和下層節點控制單元構成，結構圖如圖1所示。上層控制系統由上位機控制軟件、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。控制系統還可外接通信模塊，與上位機通信，將數據信息上傳。AVR嵌入式控制器對執行機構發出控制指令，對電機的轉速進行控制，從而實現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傳送給指定的下位機節點。同時，將節點的數據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據［2-3］。

現場控制部分:現場控制層為系統的底層，它首先由信號采集調理模塊通過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行器來實現具體操作，它們之間通過RS 485總線進行通信，完成全部的控制工作。

2 系統硬件設計

從功能上來劃分，整個系統分為液位檢測模塊、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［4-5］。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達128 MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。JTAG接口通過JTAG接口實現對Flash、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件：內置FLASH程序存儲器、內部RAM，大部分器件內部還有位于外部數據存儲器空間的RAM。高速、流水線結構的內核，真正10位、100 KSPS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振蕩器的可編程看門狗定時器。

2.1 壓力傳感器調理電路設計

信號采集調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、高穩定性、高靈敏度等特點［6］。差壓傳感器電壓信號經濾波及正向跟隨后接分壓電阻。ATmega128內部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。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，放大電路放大倍數為Vi0=(1+Rf/R1)V來驅動三極管的導通與截止，驅動發光二極管。

3 系統軟件設計

3.1 控制算法的設計

為了實現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網絡控制的隸屬度函數相結合的方法，來完成對各個模塊的控制。實現參數標定、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， 進行壓力信號的數據采集與處理、恒壓控制輸出等。根據實際工況， 壓力信號變化范圍太大時，系統將處于等待狀態，直到壓力被調節到9 500~10 050 Pa的范圍要求。同時，當誤差范圍比較大時會根據模糊神經網絡算法來粗調PWM信號，當距10 000 Pa范圍較小時再采用PID精確調節，保證輸出的PWM信號在設計范圍內。

普通的PID控制是反饋控制系統中取偏差的比例、積分、微分的組合控制。固定參數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，對于這類系統采用固定參數PID控制很難實現理想的控制效果，因此采用了變參數控制的方法。

這里將模糊控制知識表達容易的特點和神經網絡自學習能力強的優勢相結合，取長補短，以提高整個系統的學習能力和表達能力，實現電機的在線智能調速［7-8］。通過該智能控制系統，將模糊控制規律和隸屬函數隱含地分布在整個網絡中，用神經網絡實現模糊推理，用神經網絡的在線自學習能力來調整隸屬函數和改變模糊控制規律，使控制系統工作狀態可根據設定速度和環境狀態變化而自動調整，實現速度的智能控制。

實驗結果表明，該算法可以有效控制PWM輸出的穩定性，近而可以很好的穩定壓力，保證其在設計值范圍內，并且進一步提高了系統檢測精度。

3.2 數據通信設計

本系統的通信主要采用了信號采集調理模塊來完成數據采集。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。對壓力傳感器的數據進行監測和設定并記錄到數據庫。主控界面中的參數是通過數據采集現場總線RS 485傳輸過來的智能儀表的參數。

由于組態王和單片機進行通信的數據格式是ASCII碼，所以提前定義控制系統和上位機間的通信協議，其中如波特率、數據位、停止位和奇偶檢驗等必須在協議中進行定義。首先要在組態王中把地址分配給要通信的數據變量，按照設計要求把數據類型分為字節和無符號整型兩類，分別占1 B和2 B的空間。因此分配時不能有重疊現象，為提高通信速度這里使用連續的數據區。

3.3 監控系統的設計開發

設計時充分利用了北京亞控公司開發的組態王［9-10］元件的可視化及其集成的可視化數據庫工具，開發了此監控軟件如圖4所示。人機界面分為以下幾個頁面:登陸畫面、主畫面、測試方形試樣參數畫面、測試圓形試樣畫面、報警畫面、數據查詢畫面、報表打印畫面等。

下面具體介紹主要的幾個模塊：

3.3.1 參數模塊功能

本系統中包括試樣的形狀、試樣的尺寸、測量數據(輸入兩個壓力值)，在測試時系統會自動計時，同時不斷地采集壓力數據信息，然后根據系統設計的模糊神經網絡PID控制器來快速穩定的調節PWM輸出，進而調節電機的轉速，最終確保壓力恒定在設計的要求范圍內。

3.3.2 報警模塊功能

本系統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出報警信號；二是壓力傳感器超過設定值時也要發出報警信號。

3.3.3 報表打印模塊功能

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

組態軟件開發的人機界面有兩個顯著的優點：一是實際操作時，先登陸界面設定好初始參數，然后按照系統提示下一步操作。操作人員可根據系統的提示來完成操作，自動化程度高。如進入主界面后系統會提示安裝樣品，接著會提示系統氣密性檢查等。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，可以模擬實際現場的工作狀態。

4 結 語

(1) 充分利用了ATmega128的數據吞吐率和強大的I/O端口保證了數據快速處理和及時通信的要求，同時設計的模糊神經網絡控制器使得測試范圍在很大程度上變寬了并且測試精度也提高了。

(2) 利用組態王開發的上位機控制軟件，可以方便快捷地控制系統和人機界面的設計。

(3) 實際運行表明本陶瓷測控系統無論是在穩定性、實時性都表現良好。

本系統已于 2009年經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，節省了工作人員。在長時間使用期間，滿足了用戶的需求。

參 考 文 獻

［1］劉教瑜，周游.基于自適應PID控制的多孔陶瓷透氣度測試系統的設計［J］.微計算機信息，2006，22(10):121-123.

［2］王玲，王中訓，王恒.基于MSP430單片機的多路無線溫度檢測系統［J］.現代電子技術，2011，34(1):125-127.

［3］姜世芬，劉桂雄.基于LabVIEW和C8051F350紡絲張力監控系統［J］.現代電子技術，2011，34(1):150-152.

［4］劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［5］李曉峰.AVR單片機原理及應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2010.

［6］王家楨.檢測技術與儀表［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2002.

［7］李成利，黃存柱，苗建.基于模糊神經網絡的溫度控制系統設計［J］.微計算機信息，2010，26(7):75-76.

［8］杜曉坤.溫室控制系統模糊神經網絡控制器的研究［J］.微計算機信息，2010，26(22):55-56.

［9］佚名.Kingview使用手冊[M].北京:北京亞控科技發展有限公司，2001.

［10］劉教瑜.組態王在監測系統中的研究和實現［J］.工業控制計算機，2008(12):1-2.

作者簡介：

來金鋼 1985年出生，碩士研究生。主要研究方向為智能控制與智能自動化。

劉教瑜 1959年出生，教授，碩士生導師。主要研究方向為智能控制技術與應用、嵌入式系統研究與應用。