陶瓷磚抗折試驗機測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(shù)學科學學院，天津300071）

陶瓷磚作為現(xiàn)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(tǒng)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(zhí)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(jīng)邁向了智能化、集成化和數(shù)字化。而我國試驗機的發(fā)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(jù)陶瓷磚試驗方法中破壞強度和斷裂模數(shù)的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)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(tǒng)的構建，從而使該系統(tǒng)更加自動化，檢測及控制精度更高。

1 系統(tǒng)結(jié)構及工作原理

1.1 抗折試驗機結(jié)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(shù)[1]。試驗機由主機和系統(tǒng)控制單元兩部分組成，如圖1所示。

圖1 抗折試驗機結(jié)構Fig.1 Model of bending testing machine

主機包括：3柱塞油缸，4底座，5調(diào)節(jié)螺母，6工作臺，7支承輥，8壓刀輥，9立柱，15調(diào)壓閥，16調(diào)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(diào)節(jié)主機上的調(diào)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(xiàn)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(tǒng)控制單元由10高精度拉壓傳感器及11數(shù)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將壓力值由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后將數(shù)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(jù)及系統(tǒng)的工作原理

GB/T3810第四部分《斷裂模數(shù)和破壞強度的測定》規(guī)定了各類型陶瓷磚斷裂模數(shù)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(shù)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(shù)；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(shù)與試樣斷裂時的破壞載荷F有關。

另外，本系統(tǒng)采用是下位機和上位機相結(jié)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(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)與上位機的通信，系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(chǎn)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(zhí)行時間，所以它的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz。可以減緩系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(tǒng)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(fā)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(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換

由于電阻應變片式傳感器的輸出電壓是毫伏級，傳統(tǒng)的設計是在A/D轉(zhuǎn)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(diào)理、濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換成串行數(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tài)來判斷數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)是否被更新，DRDY為低電平數(shù)據(jù)被更新。

2.3 步進驅(qū)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(guī)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(tǒng)用ATmega64單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為角位移，通過控制脈沖的個數(shù)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(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停和正反轉(zhuǎn)控制等。

步進驅(qū)動采用閉環(huán)控制，而變頻驅(qū)動通常工作于開環(huán)控制，因此無論從速度還是控制精度上，變頻驅(qū)動都無法和步進驅(qū)動相比。目前，步進驅(qū)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(yōu)于前者。故本測控系統(tǒng)對步進驅(qū)動單元的控制采用了調(diào)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(jié)合PID算法對轉(zhuǎn)子進行速度和位置雙閉環(huán)控制[4]，如圖6所示。這樣提高了電機的控制精度和穩(wěn)定性。脈沖頻率設定采用Atmega64單片機中定時器/計數(shù)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(shù)據(jù)用來控制輸出脈沖的分辨率，也就是輸出頻率，當定時/計數(shù)器（TCNT）中的計數(shù)值與OCR中的數(shù)值相等時，計數(shù)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(shù)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(huán)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(tǒng)使用12864液晶屏對所測量的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)/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(xiàn)對整個系統(tǒng)的鍵盤控制，它可以實現(xiàn)64鍵的鍵盤掃描，通過可以級聯(lián)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(shù)據(jù)。SEG0～SEG7數(shù)碼管的段驅(qū)動，用于鍵盤掃描輸入，DIG0～DIG7數(shù)碼管的字驅(qū)動，用于鍵盤掃描輸出。本試驗需要10個數(shù)字鍵，1個小數(shù)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(yōu)勢。電路原理如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

下位機選用 Atmel公司生產(chǎn)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(diào)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(shù)據(jù)后與AD7705通過SPI總線通信并由AD7005完成數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由液晶屏12864顯示。整個下位機系統(tǒng)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(fā)平臺是NI公司的LabWindows/ CVI。這是一款用于儀器控制、過程檢測、數(shù)據(jù)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(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)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(xiàn)人機交互的界面和數(shù)據(jù)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(xiàn)，并結(jié)合LabWindows/ CVI專門的串口通信函數(shù)庫，可以使原本較為復雜的串口通信變得簡單。

進行數(shù)據(jù)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(xiàn)和安裝串口回調(diào)函數(shù)之后進行讀寫串口操作；最后再關閉串口。本系統(tǒng)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

由于破壞載荷是影響試樣破壞強度和斷裂模數(shù)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(jù)GB/T 3810中第四部分斷裂模數(shù)和破壞強度的規(guī)定，計算平均破壞強度和平均斷裂模數(shù)，計算平均值至少需要5個試驗結(jié)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(jié)語

本系統(tǒng)中下位機采用調(diào)整脈沖頻率的方式對步進驅(qū)動器進行控制，來實現(xiàn)試驗中力的加載與卸載，并結(jié)合傳感技術組成系統(tǒng)交叉調(diào)速單元。同時使用USART驅(qū)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(fā)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(jié)果準確，系統(tǒng)工作穩(wěn)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(shù)據(jù)。目前，本系統(tǒng)已在天津市美特斯試驗機廠等試驗機生產(chǎn)廠家批量生產(chǎn)。

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