陶瓷磚抗折試驗機測控系統的設計與實現

趙繼民，張珊珊，呂兆偉，楊世鳳

（1.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222；2.南開大學 數學科學學院，天津300071）

陶瓷磚作為現代日常生活中常用的裝飾材料，其抗折性能一直是人們關注的焦點。傳統使用的抗折機均為自制設備，制造粗糙、誤差大、手工操作，難以執行技術標準。為此，陶瓷磚的抗折試驗需要更精確、自動化程度更高的設備。國外的材料抗折試驗已經邁向了智能化、集成化和數字化。而我國試驗機的發展相對來說比較緩慢，技術水平比較落后。為此，本文提出一種新型陶瓷磚抗折試驗機，即依據陶瓷磚試驗方法中破壞強度和斷裂模數的規定，結合現代傳感技術、高速混合信號微控制器及虛擬儀器技術等進行系統的構建，從而使該系統更加自動化，檢測及控制精度更高。

1 系統結構及工作原理

1.1 抗折試驗機結構

抗折試驗機主要用于檢測陶瓷磚的抗折及破壞性能的一種試驗儀器。通過對陶瓷磚進行重復等荷載破壞試驗，以便確定其破壞強度和斷裂模數[1]。試驗機由主機和系統控制單元兩部分組成，如圖1所示。

圖1 抗折試驗機結構Fig.1 Model of bending testing machine

主機包括：3柱塞油缸，4底座，5調節螺母，6工作臺，7支承輥，8壓刀輥，9立柱，15調壓閥，16調速閥，17快速升降閥和18換向閥等。主機主要控制力的加載和卸載過程，通過單片機設置輸出脈沖來控制步進電機的步速，進而通過直接調節主機上的調速閥和快速升降閥來控制工作臺的上升和下降速度，最終實現控制力的加載和卸載。當工作臺上的試樣和壓刀輥接觸時開始給試樣施加試驗力，直到試樣斷裂為止。

系統控制單元由10高精度拉壓傳感器及11數顯電控箱組成。該部分利用壓力傳感器獲取試樣斷裂之前所受的試驗力即破壞載荷F，傳感器獲取試驗力F后經模數轉換器將壓力值由模擬量轉換成數字量，最后將數字量顯示到液晶屏，通過觀察液晶屏就可以看到對試樣加載力的變化，并讀取試樣斷裂之前的破壞荷載，該部分具有校準、峰值保持和清零等功能。

1.2 檢測依據及系統的工作原理

GB/T3810第四部分《斷裂模數和破壞強度的測定》規定了各類型陶瓷磚斷裂模數和破壞強度的檢驗方法。即將陶瓷磚瓦作3點彎曲試驗，若試驗力大于或等于某試樣的極限值時，試樣就會突然斷裂。用式（1）和式（2）可分別計算出陶瓷磚的破壞強度S和斷裂模數R：

式中：S為破壞強度；F為破壞載荷；L為支點距離；b為試樣寬度。

式中：R為斷裂模數；h為試樣后沿斷裂邊測得的試樣斷裂面的最小厚度。

其中支點距離、試樣寬度和試樣斷裂面最小厚度都可以在試驗過程中直接測量獲得，因此可見試樣的破壞強度、斷裂模數與試樣斷裂時的破壞載荷F有關。

另外，本系統采用是下位機和上位機相結合的方式。下位機核心控制器Atmega64負責采集壓力值的變化、控制液晶屏顯示、實時時鐘和步進電機的轉速，最終實現與上位機的通信，系統整體框圖如圖2所示。

圖2 系統整體框圖Fig.2 Overall block diagram of the system

上位機采用的是LabWindows/CVI技術，實現了人機互動，使操作更加簡便和人性化。此外，在對上位機進行設計時以軟件代替硬件可節省成本。

2 硬件設計

2.1 微控制器及外圍電路設計

下位機選用Atmel公司生產的核心控制器Atmega64，它是高性能和低功耗的AVR 8位微處理器，擁有先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，所以它的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz?？梢詼p緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。本試驗中Atmega64與外圍設備連接的引腳分配圖如圖3所示。

圖3 引腳分配Fig.3 Pin assignment

其中PB0～PB4連接AD7705用于模數轉換，PG0～PG2，PA5～PA7，PC0～PC7連接12864液晶屏，用于顯示試驗力值，PE3控制步進電機的步速，進而調節工作臺的升降速度，PA0～PA2控制按鍵模塊進行相應的功能選擇，PA3～PA4控制時鐘，用來記錄每次的試驗時間，PD2～PD3用于和上位機進行通信。

2.2 力值檢測單元設計

2.2.1 力值采集

在力值檢測電路中，主要測量試樣的實際承受壓力。本系統使用電阻應變片式傳感器對壓力值進行采集。利用金屬的電阻率隨著金屬的形變發生變化的原理將電阻應變片粘到敏感元件上，這樣就可以獲得應變力的變化。壓力傳感器是抗折試驗機中測量試樣實際承壓值的關鍵元件，為了能夠保證壓力精度，并且考慮到成本問題，經過實際比較選型，采用了YZC-215B型高精度電阻應變式載荷傳感器，它的量程是500 kg，默認與16位高精度A/D轉換器連接，滿量程輸出靈敏度是1.497 mV/V。滿足試驗要求的壓力測量范圍和精度要求。

2.2.2 力值轉換

由于電阻應變片式傳感器的輸出電壓是毫伏級，傳統的設計是在A/D轉換前增加一級高精度的測量放大器，這樣會增加成本，模塊也會變復雜，相比較AD7705[2]具有2個模擬輸入通道，可編程的增益前端（增益范圍為1～128），能將從傳感器接收到的微弱輸入信號進行調理、濾波、放大和A/D轉換成串行數字輸出信號，無需外部儀器放大，抗干擾性強。并且AD7705具有三線串行接口，可直接與單片機的SPI總線相連實現數據的傳輸。

本試驗對AD7705設置為自校準模式、雙極性、無緩沖、增益值為128和數據輸出更新率為50 Hz。采用差分模擬輸入通道1，并利用Atmega64端口PB0～PB4的第二功能 SPI總線來控制它的 5個信號源，對壓力信號進行采集。電路原理圖如圖4所示。

圖4 AD7705的電路連接Fig.4 Circuit connection diagram of AD7705

其中PB0連接AD7705的片選引腳CS，低電平有效。PB1連接AD7705的時鐘輸入端SCKL，用于控制數據的傳輸速率，SPI總線為設置主機模式，PB2設置為輸出，連接DIN引腳，控制數據傳輸方向，PB3連接DOUT引腳，PB4連接DRDY引腳，通過檢測DRDY引腳的狀態來判斷數據寄存器中數據是否被更新，DRDY為低電平數據被更新。

2.3 步進驅動單元設計

依照GB/T3810.4—2006《陶瓷磚彎曲強度試驗方法》中的規定，加荷速率為1 N/（mm2·s）±0.2 N/（mm2·s），為了使試驗的加載速率達到此標準，本系統用ATmega64單片機控制步進電機的轉速來控制工作臺的上升速率[3]。步進電機能將電脈沖信號轉換為角位移，通過控制脈沖的個數來控制步進電機的角位移量，同時步進電機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速、快速起停和正反轉控制等。

步進驅動采用閉環控制，而變頻驅動通常工作于開環控制，因此無論從速度還是控制精度上，變頻驅動都無法和步進驅動相比。目前，步進驅動的控制方式主要有3種：總線指令設定、模擬量輸入設定和脈沖頻率設定。從控制難易程度上來看，總線指令設定較后者方便，而從操作的靈活性及精度上來看，脈沖頻率設定方式大大優于前者。故本測控系統對步進驅動單元的控制采用了調整脈沖頻率方式。

控制芯片用Atmega64單片機，其控制框圖如圖5所示，并且結合PID算法對轉子進行速度和位置雙閉環控制[4]，如圖6所示。這樣提高了電機的控制精度和穩定性。脈沖頻率設定采用Atmega64單片機中定時器/計數器的CTC模式。CTC模式的工作原理是：在輸出比較器（OCR）中寫入數據用來控制輸出脈沖的分辨率，也就是輸出頻率，當定時/計數器（TCNT）中的計數值與OCR中的數值相等時，計數器清零。這個模式可以在很大程度上控制比較匹配輸出的頻率，也簡化了外部事件計數的操作。CTC的工作時序圖如圖7所示。

圖6 速度和位移雙閉環控制Fig.6 Dual-loop control of velocity and displacement

圖7 CTC模式時序Fig.7 Timing of CTC mode

2.4 液晶模塊

為了能夠清晰地顯示出所測量的壓力值，本系統使用12864液晶屏對所測量的數據進行顯示。通過液晶屏可以清楚地看出試驗過程中壓力值的變化，并在當試驗材料斷裂的瞬間讀取液晶屏上的最大力值F。液晶屏通過單排針和Atmega64的引腳相連，其中數據引腳DB0～DB7由PC0～PC7控制，片選引腳CS1～CS2分別由PA7，PA6控制，讀寫引腳R/W由PG1控制，數據/指令引腳由PG0控制。排針引腳圖如圖8所示。

圖8 LCD的電路連接Fig.8 Circuit connection diagram of LCD

2.5 按鍵模塊

本文采用CH452A_4鍵盤芯片實現對整個系統的鍵盤控制，它可以實現64鍵的鍵盤掃描，通過可以級聯的 4線串行接口 DCLK，DIN，LOAD，DOUT分別與單片機ATmega64 PA2，PA1，PA0和PE7交換數據。SEG0～SEG7數碼管的段驅動，用于鍵盤掃描輸入，DIG0～DIG7數碼管的字驅動，用于鍵盤掃描輸出。本試驗需要10個數字鍵，1個小數點鍵，1個清零鍵，1個功能鍵，1個確認鍵和1個取消鍵等24個按鍵。并且CH452A_4自帶去抖檢測和按鍵是否按下檢測相比于一般的矩陣鍵盤電路有明顯的優勢。電路原理如圖9所示。

3 系統軟件設計

下位機選用 Atmel公司生產的核心控制器Atmega64，它作為主控單元，通過控制步進電機和傳感器組成的調速單元控制試驗機工作臺的升降速度，并對測量的壓力值進行實時采集，單片機采集到數據后與AD7705通過SPI總線通信并由AD7005完成數據的模數轉換，最后由液晶屏12864顯示。整個下位機系統的程序框圖如圖10所示。

圖 9CH452A_4鍵盤的電路連接圖Fig.9 Circuit connection diagram of CH452A_4

圖10 下位機程序Fig.10 Block diagram of Atmega64

上位機軟件開發平臺是NI公司的LabWindows/ CVI。這是一款用于儀器控制、過程檢測、數據采集和處理的軟件。功能強大，使用靈活的C語言編程，同時它的集成化開發環境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強了C語言的功能，有很強的使用性[5]。

上位機軟件的主要功能是實現人機交互的界面和數據通信。上位機與下位機的交互通過采用USART串行通信設備來實現，并結合LabWindows/ CVI專門的串口通信函數庫，可以使原本較為復雜的串口通信變得簡單。

進行數據通信時，首先打開串口設置串口通信，選擇合適的串口和波特率等；其次在實現和安裝串口回調函數之后進行讀寫串口操作；最后再關閉串口。本系統通過上位機軟件將試驗過程測得力值和對應的強度值繪成曲線如圖11所示。

4 實驗結論

為校驗設備的實際性能，對陶瓷磚進行了抗折試驗，試驗數據如表1所示。

圖11 力值與強度曲線Fig.11 Graph of force value and strength

表1 試驗數據Tab.1 Experimental data

由于破壞載荷是影響試樣破壞強度和斷裂模數的重要指標，因此要選取標準力值不同的試樣進行測量，又根據GB/T 3810中第四部分斷裂模數和破壞強度的規定，計算平均破壞強度和平均斷裂模數，計算平均值至少需要5個試驗結果，因此本試驗進行了6次測量。

通過實際測量值和標準力值的對比，來得出測量偏差，進而得出測量的精度值。由表1可知每組的測量精度值滿足不大于1%的精度，平均測量精度值大概為0.63%，符合測量精度均值不大于1%的要求，說明本試驗機符合陶瓷磚抗折測量精度的要求。

5 結語

本系統中下位機采用調整脈沖頻率的方式對步進驅動器進行控制，來實現試驗中力的加載與卸載，并結合傳感技術組成系統交叉調速單元。同時使用USART驅動接口將微控制器和上位機相連。而上位機采用虛擬儀器開發平臺LabWindows/CVI進行軟件設計來觀測加載過程中的實時力值，多次試驗后，可以在上位機直接觀察到強度峰值曲線。通過試驗驗證，測試結果準確，系統工作穩定，操作簡便，性價比較高，可為陶瓷磚抗折性試驗提供可靠數據。目前，本系統已在天津市美特斯試驗機廠等試驗機生產廠家批量生產。

[1]劉幼紅，段先湖，鐘應洲，等.GB/T 3810.4-2006陶瓷磚試驗方法第4部分：斷裂模數和破壞強度的測定[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]寧海，尹青山.低功耗16位A/D轉換器AD7705及其應用[J].甘肅農舍，2006，6（6）：366-367.

[3]王建敏，魏海波.基于ATmega128單片機的步進電機加減速控制系統的設計[J].硅谷，2013，11（17）：30-31.

[4]李敬一，王會彬.基于PID算法的步進電機位置控制[J].軍民兩用技術與產品，2015，4（1）：55-57.

[5]王建新，楊世鳳.Labwindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2006.