【正文】 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 2010 屆 ）設(shè)計(jì)（論文）題目 單片機(jī)氣體測漏儀的設(shè)計(jì) 辦 學(xué) 點(diǎn) （系） 連云港 （信息工程系） 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班級(jí) 07機(jī)電（五） 學(xué)號(hào) 0739010132 學(xué)生姓名 劉 堃 指導(dǎo)教師 李國曉 職稱 助教 2011年11月1日江蘇城市職業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 目 錄摘 要 11 緒論 1 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 2 研究現(xiàn)狀 2 測漏檢測的發(fā)展方向 2 國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 2 常用氣體測漏方法 3 4 52 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 6 系統(tǒng)整體功能介紹 6 對(duì)直壓法和差壓法的分析 6 本課題的主要工作 7 系統(tǒng)功能塊的劃分 7 關(guān)鍵技術(shù)選擇 8 檢測控制模塊 8 人機(jī)界面的選擇 8 串口通訊模塊的選擇 9 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 系統(tǒng)總體工作模型 9 系統(tǒng)的總體框圖 10圖24 系統(tǒng)總框圖 11 本章小結(jié) 113 系統(tǒng)的硬件電路 12 壓力信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) 12 壓力變送器的選擇 12 A/D轉(zhuǎn)換器ADS1110 13 ADS1110與單片機(jī)的硬件連接 15 溫度信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) 16 溫度信號(hào)處理電路 16 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 19 鍵盤輸入模塊的設(shè)計(jì) 19 通訊模塊的設(shè)計(jì) 24 串口通訊協(xié)議 24 通訊模塊與單片機(jī)的接口電路 27 28 電源模塊的設(shè)計(jì) 28 本章小結(jié) 29 系統(tǒng)主程序流程圖及零點(diǎn)漂移的克服 29 鍵盤及顯示模塊的實(shí)現(xiàn) 31 鍵盤輸入模塊流程 31 壓力、溫度信號(hào)采集流程 33 算法的實(shí)現(xiàn) 34 零點(diǎn)漂移的克服算法 34 數(shù)字濾波算法 34 36 通訊模塊的軟件流程 36 自定義軟件通訊協(xié)議 36 校驗(yàn)原理分析 37參 考 文 獻(xiàn) 39摘 要現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測手段提出了越來越高的要求。氣密性檢測作為檢測方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面起著越來越重要的作用。特別是在汽車行業(yè)，能否保證汽缸的氣密性，直接影響著汽車的性能。隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的研究使測漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測漏方法操作不靈活，容易產(chǎn)生誤判，而且不利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析。直壓式氣體測漏由于具有原理簡單、成本較低、方便實(shí)用、干凈無污染等優(yōu)點(diǎn)，在氣密性檢測領(lǐng)域受到廣泛的青睞。本文設(shè)計(jì)了一種基于干式測漏法(直接壓力測試法)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的氣體測漏儀。利用高精度A/D對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行檢測，通過LCD即時(shí)顯示采集的壓差數(shù)據(jù)，并提供了通訊接口，便于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析。克服了傳統(tǒng)方法易受主觀因素的影響等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣密性檢測的自動(dòng)化。論文首先闡述了課題的背景以及研究現(xiàn)狀，對(duì)各種氣密性檢測方法進(jìn)行了比較。給出了系統(tǒng)的總體工作模型和總體框圖。并按模塊化的設(shè)計(jì)思想分別對(duì)系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序進(jìn)行了分析。硬件電路主要包括:壓力信號(hào)采集電路、溫度信號(hào)采集電路、鍵盤及顯示電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和控制電路的設(shè)計(jì)和原理分析。軟件設(shè)計(jì)主要包括:主程序的實(shí)現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標(biāo)準(zhǔn)接口的讀寫、虛擬I2C總線的實(shí)現(xiàn)、零點(diǎn)漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，給出了各程序模塊的設(shè)計(jì)思想和流程圖。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了系統(tǒng)的精度?？偨Y(jié)了本文的特點(diǎn)及不足，為快速性測量提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。關(guān)鍵詞：測漏儀，單片機(jī)檢測，自動(dòng)化，人機(jī)界面1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測手段也提出了越來越高的要求。氣密性檢測作為檢測方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面起著越來越重要的作用。特別是在汽車行業(yè)，能否保證氣缸的氣密性，直接影響著汽車的性能。隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的研究使測漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，如何快速檢測泄漏又稱氣密性試，長期以來一直是科研和實(shí)踐領(lǐng)域的重要課題。 泄漏檢測也稱密封性檢測，屬性能指標(biāo)范疇，主要用于測試被測件的氣密性狀態(tài)。國內(nèi)外廣為采用的方法為水沒法，又稱濕式檢測法，就是將充入一定壓力氣體的工件浸沒在水中然后由人工觀察的方法，判斷是否有氣泡產(chǎn)生，并由氣泡產(chǎn)的多少估計(jì)其泄漏程度。這種方法雖然不需要操作人員較高的技術(shù)，且不需要配備特殊設(shè)備，且還能準(zhǔn)確找出泄漏位置，但是由于人的主觀性因素的影響很容易產(chǎn)生誤判，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化效率很低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的定量的判斷浸水后需對(duì)工件做表面處理，防腐，烘干等處理，這樣就加大了測量所需的費(fèi)用很多對(duì)氣密性有要求的產(chǎn)品，不能夠采用氣泡法進(jìn)行測量，因此，迫切需要一種更好的方法來代替它，利用氣體的性質(zhì)來檢測氣密性的方法，就是現(xiàn)在常用的干式檢漏法。由于泄漏造成被測件內(nèi)氣體質(zhì)量減少，這樣必然引起被測件內(nèi)氣體的一些參數(shù)發(fā)生變化。可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行定性和定量的分析，從而判斷出泄漏量。其中最為常用的兩種方法就是直接壓力法和差壓法，它們都是以壓縮空氣來代替真實(shí)介質(zhì)，對(duì)被測工件充氣加壓或抽真空介質(zhì)為空氣，然后對(duì)其壓力或差壓與比較容器之間進(jìn)行取樣分析，從而判斷工件是否泄漏，這種方法清潔、無污染，而且簡單易行，給實(shí)際生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，得到了一定的推廣。 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 研究現(xiàn)狀 日前測漏儀的種類很多，而且應(yīng)用也越來越廣泛，在我們生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。測漏技術(shù)的發(fā)展對(duì)我們產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著很大的促進(jìn)作用，同時(shí)提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力，在泄漏測量自動(dòng)化方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當(dāng)前國外一些廠家在技術(shù)上較為成熟一些，例如，日本、法國、美國等在技術(shù)上具有較大的優(yōu)勢。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。國內(nèi)目前也有一些生產(chǎn)測漏儀的廠家，雖然在測漏儀方面，技術(shù)比較成熟，而且推出了許多新產(chǎn)品，但是很多技術(shù)主要來自國外，比如天津的福田公司、浙江的三花集團(tuán)。它們的測量效率較低，很難應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如何實(shí)現(xiàn)測量的快速性問題，是當(dāng)前氣體測漏儀所要解決的首要問題。 測漏檢測的發(fā)展方向 目前氣壓法測漏儀，技術(shù)上還存在著許多問題，仍需要不斷發(fā)展和完善。從檢測性質(zhì)的本身來看，發(fā)展方向主要在于如何縮短測量時(shí)間，提高測量精度，降低產(chǎn)品價(jià)格，再就是如何確定泄漏的位置。目前還沒有一種好的方法來確定泄漏的位置，一般還是采用測量精度較高的氣泡法，還可以判斷出泄漏的位置。還有一些廠家用特殊氣體來檢測泄漏位置，但是特殊氣體泄漏會(huì)造成環(huán)境污染。這種采用特殊氣體進(jìn)行泄漏檢測的方法雖然有較高的可靠性，但是需要采用價(jià)格昂貴的檢測儀器。氣壓法檢測由于采用空氣作為檢測介質(zhì)，因此不會(huì)產(chǎn)生污染，而且檢測方便、不需特殊儀器?？紤]提高測量精度的時(shí)候，主要分析如何克服外界環(huán)境的干擾主要是溫度，如何使被測件內(nèi)部的氣流快速趨于穩(wěn)定。從控制方法上來看，控制手段越來越多，如單片機(jī)控制、控制、計(jì)算機(jī)控制等等，測漏儀的操作界面也越來越人性化，而且操作越來越方便。如法國公司的產(chǎn)品，帶有顯示屏，可以顯示容器內(nèi)的壓力變化，同時(shí)可以給出測量的泄漏量。 國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測漏儀的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。從以前的汽車制造業(yè)己經(jīng)發(fā)展到了現(xiàn)在的一般日用品行業(yè)、家用電器、食品包裝、醫(yī)療器械等。現(xiàn)在生產(chǎn)氣體測漏儀的廠家很多，產(chǎn)品也能滿足不同測試條件的要求。（1）法國ATEQ公司 法國ATEQ為世界制造氣密性測試儀器的先驅(qū)，涉及汽車、醫(yī)藥、家電、壓鑄、包裝、閥門、煤氣、電子、建筑、航空等領(lǐng)域。它生產(chǎn)的測漏儀能找到零件上導(dǎo)致泄漏的孔的位置，泄漏量使用范圍自10N9毫升至升10000升/小時(shí)。還提供了多種檢測模式供操作者選擇，使操作界面盡量適和操作者的使用。（2）美國USON的公司 美國USON也生產(chǎn)很多種類型的測漏儀，它的4000系列提供了多種檢測模式，同時(shí)考慮到了測漏性能、泄漏量、以及針對(duì)實(shí)際中不同被測物的容積及泄漏大小提供了相應(yīng)的產(chǎn)品而且其操作界面非常友好、對(duì)操作者要求不高，其4000系列還具有較快的測試速度和較高的靈敏度。（3）日本COSMOS的公司 日本COSMOS的公司空氣測漏儀是對(duì)氣密部品成品進(jìn)行加壓或抽真空后，通過測出被測件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的微小差壓來判斷是否有泄漏的自動(dòng)測試器。它由耐高壓的差壓傳感器，高性能的氣動(dòng)閥等構(gòu)成真空回路，功能齊全，性能可靠，能適應(yīng)各種不同條件下的測試。（4）浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司 浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司該公司專業(yè)從事泄漏檢測儀及其它專用設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和銷售。它研制、生產(chǎn)及銷售ALT系列泄漏檢測儀、檢測專機(jī)及自動(dòng)化泄漏檢測線。（5）福田天津儀器儀表公司 福田天津儀器儀表研究所承接國內(nèi)外客戶有關(guān)空氣壓測試、控制等方面的各種開發(fā)項(xiàng)目，但自己開發(fā)的項(xiàng)目較少，主要引進(jìn)FUKUDA公司的技術(shù)。 常用氣體測漏方法 隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，測漏儀的種類也越來越多。但在測漏儀的原理方面，主要應(yīng)分為濕式和干式其中濕式檢測法主要是指氣泡法，干式檢測法主要包括下面提到流量測試法、直接壓力測試法、差壓測試法、氦氣測量方法等。下面對(duì)這幾種檢測原理分別作簡單介紹。(1)氣泡法(The leak detecting method by air bubble) 傳統(tǒng)的測漏方法主要是氣泡法。氣泡法是指將被測件密封后放入水中，然后觀察氣泡的產(chǎn)生情況來判斷泄漏量的大小的方法。為了能夠使測量更加明顯，一般也會(huì)向被測件內(nèi)充入一定壓力的氣體。如圖11所示:壓力表空氣源水槽被測物件圖11 氣泡檢測法(2)流量測試法(The leak detecting method by air flow meter)當(dāng)氣源對(duì)被測件充氣完畢后，如果被測件有泄漏，整個(gè)密封系統(tǒng)就會(huì)有氣體的流動(dòng)，泄漏量與流量相同，用微小流量測試儀就可以測出泄漏量。如圖12所示:被測件空氣源微小流量泄露圖12 流量測試法(3)直接壓力測試法(The leak detecting method by air pressure decay)加正壓或負(fù)壓后關(guān)閉閥門，由壓力表或壓力傳感器、壓力開關(guān)等測出因被測物泄漏引起的壓力下降值。而且由壓力的下降值就可以計(jì)算泄漏量的大小。這種方法簡單可靠，使用方便、價(jià)格便宜。如圖13所示：壓力表被測件空氣源圖13 壓力檢測法(4)差壓測試法(The leak detecting method by air pressure difference)對(duì)被測件和標(biāo)準(zhǔn)件同時(shí)充入壓縮氣體，由高精度的差壓傳感器測出被測件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的壓力差。在一般情況下首選直接壓力法，在精度要求較高的場合才選用差壓法。(5)氦氣測量方法(The leak detecting method by helium mass measurement)將混有氦元素的壓縮氣體充入被測件，且將被測件放入密封容器，通過氦元素檢測裝置測量密封容器里氦元素的含量來分析被測件泄漏量的大小。這種方法精度比較高，一般用在高精度場合。上述檢測方法的測試性能對(duì)比見表11:表11各種檢測方法的性能對(duì)比序號(hào)測試方法自動(dòng)化檢測能力可靠性壽命適用性經(jīng)濟(jì)性氣泡檢測法不好好不好好特好不太好流量檢測法好不好好好好好直壓式檢測法好不太好好特好不太好好差壓式檢測法好好好特好特好好氦元素檢測法好特好好不太好不太好不好本課題“基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究”是對(duì)傳統(tǒng)氣體測漏方法的一種改進(jìn)和新的嘗試，其特色主要在以下幾點(diǎn):一是加入了單片機(jī)作為控制核心。其豐富的外設(shè)如鍵盤輸入和液晶顯示輸出簡化了操作人員的操作，便于觀察結(jié)果，不易產(chǎn)生誤判。二是提出了一種二次采集的控制方法，有效地克服了許多模擬儀器無法克服的零點(diǎn)漂移的問題，提高了系統(tǒng)的測試精度。三是將直接壓力測試法與差壓測試法集中到一種控制器中供用戶自由選擇，方便了不同用戶的不同需求。本文分為