基于单片机和组态王的陶瓷检测系统设计

3 系统软件设计

    3．1 控制算法的设计

    为了实现陶瓷检测设备高精度、反应速度快、宽测量范围的性能指标要求。设计的陶瓷检测控制软件采用PID控制算法和模糊神经网络控制的隶属度函数相结合的方法，来完成对各个模块的控制。实现参数标定、设置、透气度测量、恒压信号(PWM信号)输出等功能。软件完成初始化设置后，进行压力信号的数据采集与处理、恒压控制输出等。根据实际工况，压力信号变化范围太大时，系统将处于等待状态，直到压力被调节到9 500～10 050 Pa的范围要求。同时，当误差范围比较大时会根据模糊神经网络算法来粗调PWM信号，当距10 000 Pa范围较小时再采用PID精确调节，保证输出的PWM信号在设计范围内。

    普通的PID控制是反馈控制系统中取偏差的比例、积分、微分的组合控制。固定参数PID控制属于线性控制。而液位上升的过程具有非线性、时变性及不确定性等特点，对于这类系统采用固定参数PID控制很难实现理想的控制效果，因此采用了变参数控制的方法。

    这里将模糊控制知识表达容易的特点和神经网络自学习能力强的优势相结合，取长补短，以提高整个系统的学习能力和表达能力，实现电机的在线智能调速。通过该智能控制系统，将模糊控制规律和隶属函数隐含地分布在整个网络中，用神经网络实现模糊推理，用神经网络的在线自学习能力来调整隶属函数和改变模糊控制规律，使控制系统工作状态可根据设定速度和环境状态变化而自动调整，实现速度的智能控制。

    实验结果表明，该算法可以有效控制PWM输出的稳定性，近而可以很好的稳定压力，保证其在设计值范围内，并且进一步提高了系统检测精度。

    3．2 数据通信设计

    本系统的通信主要采用了信号采集调理模块来完成数据采集。该模块是以ATmega128单片机为核心的陶瓷检测智能控制仪重要组成部分。ATmega128片内含128 KB ISP的可反复擦写10 000次的FLASH只读程序存储器。对压力传感器的数据进行监测和设定并记录到数据库。主控界面中的参数是通过数据采集现场总线RS 485传输过来的智能仪表的参数。

    由于组态王和单片机进行通信的数据格式是ASCII码，所以提前定义控制系统和上位机间的通信协议，其中如波特率、数据位、停止位和奇偶检验等必须在协议中进行定义。首先要在组态王中把地址分配给要通信的数据变量，按照设计要求把数据类型分为字节和无符号整型两类，分别占1 B和2 B的空间。因此分配时不能有重叠现象，为提高通信速度这里使用连续的数据区。

    3．3 监控系统的设计开发

    设计时充分利用了北京亚控公司开发的组态王元件的可视化及其集成的可视化数据库工具，开发了此监控软件如图4所示。人机界面分为以下几个页面：登陆画面、主画面、测试方形试样参数画面、测试圆形试样画面、报警画面、数据查询画面、报表打印画面等。

 
图4  监控系统主界面

    下面具体介绍主要的几个模块：

    3．3．1 参数模块功能

    本系统中包括试样的形状、试样的尺寸、测量数据(输入两个压力值)，在测试时系统会自动计时，同时不断地采集压力数据信息，然后根据系统设计的模糊神经网络PID控制器来快速稳定的调节PWM输出，进而调节电机的转速，最终确保压力恒定在设计的要求范围内。

    3．3．2 报警模块功能

    本系统中主要的报警项有两种：一是当储水箱中的指针高出水液面一定时间后就要发出报警信号；二是压力传感器超过设定值时也要发出报警信号。

    3．3．3 报表打印模块功能

    报表打印模块是对每天生产过程中的一些重要参数进行报表打印，以便对生产情况进行备案，一张报表可选定16个参数，此为固定的报表格式。如图5所示。

 
图5  测试结果报表

    组态软件开发的人机界面有两个显著的优点：一是实际操作时，先登陆界面设定好初始参数，然后按照系统提示下一步操作。操作人员可根据系统的提示来完成操作，自动化程度高。如进入主界面后系统会提示安装样品，接着会提示系统气密性检查等。二是主界面生动形象。如：当每一步操作进行时，图中相应的器件也会运行起来，可以模拟实际现场的工作状态。

4 结语

    (1)充分利用了ATmega128的数据吞吐率和强大的I／O端口保证了数据快速处理和及时通信的要求，同时设计的模糊神经网络控制器使得测试范围在很大程度上变宽了并且测试精度也提高了。

    (2)利用组态王开发的上位机控制软件，可以方便快捷地控制系统和人机界面的设计。

    (3)实际运行表明本陶瓷测控系统无论是在稳定性、实时性都表现良好。

    本系统已于2009年经过完善后应用在陶瓷检测科研项目中，得到了用户的好评，不仅提高了自动化检测程度，同时也提高了测试精度，节省了工作人员。在长时间使用期间，满足了用户的需求。