【正文】 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。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?？梢詫@些參數(shù)進(jìn)行定性和定量的分析，從而判斷出泄漏量。 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)。 關(guān)鍵詞 ： 測漏儀，單片機(jī)檢測，自動化，人機(jī)界面 1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對檢測手段也提出了越來越高的要求。軟件設(shè)計主要包括 :主程序的實現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標(biāo)準(zhǔn)接口的讀寫、虛擬 I2C 總線的實現(xiàn)、零點(diǎn)漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實現(xiàn)。論文首先闡述了課題的背景以及研究現(xiàn)狀，對各種氣密性檢測方法進(jìn)行了比較。直壓式氣體測漏由于具有原理簡單、成本較低、方便實用、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。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。 本文設(shè)計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。給出了系統(tǒng)的總體工作模型和總體框圖。同時，給 出了各程序模塊的設(shè)計思想和流程圖。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。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)的多少估計其泄漏程度。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介質(zhì)，對被測工件充氣加壓或抽真空介質(zhì)為空氣，然后對其壓力或差壓與比較容器 2 2 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，給實際生產(chǎn)生活帶來了極 大的方便，得到了一定的推廣。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。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間，提高測量精度，降低產(chǎn)品價格，再就是如何確定泄漏的位置。氣壓法檢測由于采用空氣作為檢測介質(zhì)，因此不會產(chǎn)生污染，而且檢測方便、不需特殊儀器。 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。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 。它由耐高壓的差壓傳感器， 高性能的氣動閥等構(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。 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。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。而且由壓力的下降值就可以計算泄漏量的大小。 (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。 被測件 空氣源 微小流量 泄露 壓力表 被測件 空氣源 5 5 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。提出了本課題的總體設(shè)計構(gòu)想，最后給出了整個系統(tǒng)的整體工作模型和框圖 。 第五章介紹了試驗結(jié)果分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)以及發(fā)展方向。常用的氣體測漏方法還有流量法、直接壓力法、差壓 法、和氦元素法。 6 6 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)整體功能介紹 對直壓法和差壓法的分析 直接壓力法和差壓法為目前較為常用的兩種方法，它們的測量原理相同，都是在氣體泄漏會導(dǎo)致被測件內(nèi)壓力變化的條件下，基于被測件內(nèi)壓力變化原理進(jìn)行測量。因分解能力高，即使測量時間短也可高效的檢出，因此，通過足夠長時間的加壓穩(wěn)定，對由氣體溫度和變形等引起的誤差將減少。因此在我們對測量精度要求不高時我們還是應(yīng)該盡量 選擇直接壓力法，但當(dāng)我們對精度有較高要求時我們就應(yīng)該考慮采用差壓法。圖給出了測量的四個階段被測件內(nèi)的壓力變化。為了在測量階段獲得可重現(xiàn)的測量條件 ，檢測系統(tǒng)在充氣后必須經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定，以便消除被測腔內(nèi)氣流紊亂造成的誤差，以及由檢測氣體所引起的溫度變化。系統(tǒng)進(jìn)入測量階段，如果有氣體從被測工件中泄漏出去，必將引起壓力下降。 圖 21 直壓式氣體測漏原理圖 本課題的主要工作 本課題將單片機(jī)控制應(yīng)用到傳統(tǒng)的直接壓力式氣體測漏儀中，加入了液晶顯示和鍵盤輸入等模塊，提高了檢測過程的自動化水平，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，并且方便數(shù)據(jù)的存儲和分析，本科題要實現(xiàn)的功能如下用一種簡單高效的方法來檢測被測工件的氣體泄漏特性高精度壓力檢測，可以最小檢測的壓力變化，檢測量程為 020BAR，壓力差檢測 精度為 %將每次檢測結(jié)果顯示并保存，通過通訊接口送上位機(jī)以便日后統(tǒng)計，分析零點(diǎn)漂移的克服。 （ 3）串口及上位機(jī)通訊模塊 由于每次測量系統(tǒng)都記錄了大量的數(shù)據(jù)，如壓力值，檢測結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)都需要通過通訊接口送入上位機(jī)保存以方便日后的分析處理，本模塊通過單片機(jī)減壓閥 電磁閥 1 電磁閥 2 被測件 壓力傳感器 8 8 的標(biāo)準(zhǔn)接口將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)。壓力變送器可以用來測量靜壓和動壓，可以測量任何可與不銹鋼，或兼容的液體氣體介質(zhì)，按不同的要求可以選擇不同的密封材料，壓力量程為一精度滿足全量程調(diào)節(jié)，是本系統(tǒng)的理想傳感器。并具有全雙工串行口線，可以方便的與外界進(jìn)行通訊，滿足本系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)要求。由于所要顯示的漢字較多，且為了便于操作人員觀察，本系統(tǒng)采用大連東顯公司生產(chǎn)的字符點(diǎn)陣型液晶來做系統(tǒng)的顯示模塊。所以只需外擴(kuò)一個驅(qū)動芯片如 MAX232 就可以實現(xiàn)串行通訊的功能。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。自定義協(xié)議提高了系統(tǒng)的通信效率又能保證系統(tǒng)的正確傳輸。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，液晶顯示，并將壓力變送器的位置擇在充氣閥和自檢閥之間，對外只提供了兩個標(biāo)準(zhǔn)的接口。此壓力輸出根據(jù)不同的檢測對象而不同。系統(tǒng)的充氣時間，平衡時間和測量時間均由測試程序設(shè)定。 本章小結(jié) 本章介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計思想。要求對系統(tǒng)的微小壓力變化就能檢測出來。其壓力精度滿 足%FOC滿量程調(diào)節(jié)，對外提供標(biāo)準(zhǔn) G1/2或 G1/4壓力接口，壓力量程為 2/20mA，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)兩線制。片內(nèi)可編程的增益放大器 PGA。輸出碼是一個標(biāo)量值除電路削波以外，它與兩個模擬輸入端的壓差成比例。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1110 使用 ① I2C接口 通過一個內(nèi)部集成電路 I2C 接口通信。一些器件既可作為主機(jī)又可作為從機(jī)，但只能作為從機(jī)。為了在總線上傳送位數(shù)據(jù)，須在為 SCL 低電平時，驅(qū)動線至該位的電平為低則表明該位為 “0”，為高則表明該位為 “1”。當(dāng)主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時，從機(jī)驅(qū)動數(shù)據(jù)線當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機(jī)驅(qū)動數(shù)據(jù)線主機(jī)總是驅(qū)動時鐘線。為了開始通信，主機(jī)在總線上形成一個開始條件，通常只有在時鐘線為低電平時，數(shù)據(jù)線才允許改變狀態(tài)。 I2C 總線上的每個器件都有一個獨(dú)特的 7 位地址以做出響應(yīng)。從機(jī)將 SDA 線拉低以對該字節(jié)進(jìn)行應(yīng)答，然后主機(jī)發(fā)送一個時鐘脈沖以對該應(yīng)答位定時。 在主機(jī)完成與從機(jī)的通信后，它會發(fā)出一個停止條件。 ADS1110有 8 種不同的類型，每種類型都有一個不同的 I2C 地址。 ④ 對 ADS1110 的寫操作 用戶可寫新的內(nèi)容至配置寄存器，但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容。因為本身沒有集成接口電路，因此需要用其接口來模擬實現(xiàn)接口電路，這里選用和兩個引腳來模擬總線的兩個引腳： 作為數(shù)據(jù)腳，它的作用是由主機(jī)和從機(jī)來驅(qū)動它以傳送數(shù)據(jù) 。長總線的電容高，需要較小的上拉電阻來補(bǔ)償，電阻不應(yīng)太小，如果電阻太小，總線驅(qū)動器可能不能將總線拉 低。必須使用硬件補(bǔ)償或軟件查表等方法來對系統(tǒng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。溫 度采集電路如圖所示測溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，線制連接。設(shè)電橋兩端的輸出電壓分別為 V+和 V，導(dǎo)線電阻為 r，則 : rRtR rRtVVcc 2117 2 ?????? (34) rRR rRVV cc 2100116 2100 ?? ???? 18 18 (35) 當(dāng) R116=R117=10kR100=100 時， 放大器的輸入電壓為 : rRR RRtVVVV ccin 2100116 100_ ??????? ? (36) 由公式 (36)可以知道系統(tǒng) 3 線制連接可以基本消除導(dǎo)線電阻對測溫電路的影響。放大器輸出在經(jīng)過一個加法器電路輸出 : 2 22 reft VVV ?? (39) Vref2的值可以通過調(diào)整電位器 RP104 來進(jìn)行調(diào)整，其目的是消除 A/D在零點(diǎn)采樣不精確所帶來的誤差。 此測溫電路共需要兩組精密電源為其供電， TL431 就是能同時提供兩組穩(wěn)定電壓輸出的穩(wěn)壓管， 12V 電源流經(jīng)限流電阻 R126 后在 TL431 的 1 腳產(chǎn)生 的 19 19 穩(wěn)壓輸出，再流經(jīng)限流電阻 R114 和 R115 后在 2腳產(chǎn)生一個 的穩(wěn)壓輸出。溫度信號采集電路與單片機(jī)的接口與壓力信號的接口基本相同，如圖所示 : 圖 33 溫度信號與單片機(jī)的連接電路 人機(jī)界面的設(shè)計 人機(jī)界面主要是鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊，是嵌入式設(shè)計的常用外設(shè)模塊。當(dāng)鍵盤上某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線與列線短路。用同樣的方法檢查 PC1這一行上有無鍵閉合，以此類推，然后使行線 PC2 為低電平，其余的行線為高電平，檢查PC2 這一行上是否有鍵閉合。 CPU 對鍵盤上閉合鍵鍵號的確定，可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表求得。 CE、 C/D 信號分別接到單片機(jī) 、 上。單片機(jī) P2 口的最高位 與 81C55 的使能端連接，高電平為不使能。圖液晶與單片機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)采用內(nèi)核的系列單片機(jī) 是一種低電壓，高性能位單片機(jī)，片內(nèi)含的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用位中央處理器和存儲單元，功能強(qiáng)大的單片機(jī)可為您AT89S52 23 23 提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。從早期的發(fā)光二極管顯示到液晶顯示，從段碼式到點(diǎn)陣式再到圖形點(diǎn)陣式，其性能不斷提升，而成本卻日趨降低。 （ 4）顯示字符的字體點(diǎn)陣。 （ 7）顯示指令完整地恢復(fù)顯示屏上原有的畫面內(nèi)容。 （ 9）本模塊內(nèi)建 128 種字符見附錄，并允許用戶在顯示緩沖區(qū)內(nèi)任意設(shè)置一個區(qū)域作為外擴(kuò)的字符發(fā)生器 CGRAM。 （ 11）光標(biāo)可在 字符方式下啟用，此時光標(biāo)與所在位的字符通過邏輯“或”顯示。每一 25 25 層負(fù)責(zé)直接使用下層向它提供的服務(wù)，并完成自身的功能，然后向上層提供“增值”后的功能，即數(shù)據(jù)和控制信息從發(fā)送端各層由上至下傳送至 物理媒體，然后接收方再從下到上經(jīng)過各個層傳遞到達(dá)目的地，是七層參考模型不是通訊標(biāo)準(zhǔn)，它只給出一個不會由于技術(shù)發(fā)展而必須修改的穩(wěn)定模型，使有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議能在模型定義的范圍內(nèi)開發(fā)和相互配合。這樣采用分層處理的方法還有個好處是底層模塊獨(dú)立于高層消息處理，最大限度地降低軟件對硬件的依賴性，有利于軟件的重用和移植。它適合數(shù)據(jù)傳輸速率在 020bit/s 范圍內(nèi)的通信。 (2)在微控制器中，接口芯片使得一個 5V 串口轉(zhuǎn)換成 RS232 變得非常容易。而并行連接一般需要 8 條數(shù)據(jù)線、兩條或者更多的控制信號線和幾條接地線。在同步傳輸過程中，一個字符可以對應(yīng) 58位。在整個系統(tǒng)中，由一個統(tǒng)一的時鐘控制發(fā)送端的發(fā)送和空字符用同一個代碼。 （ 2）異步通信只適 用于點(diǎn)對點(diǎn)，同步通信可用于對多。傳送時，數(shù)據(jù)的低位在前，高位在后。這樣就為通信雙方提供了何時開始收發(fā)，何時結(jié)束的標(biāo)志。經(jīng)過處理將停止位去掉，把數(shù)據(jù)位拼裝成一個并行字節(jié)，并且經(jīng)校驗后，無奇偶錯才算正確的接收一個字 符。但由于要在每個字符的前后加上起始位和停止位這樣一些附加位，使得傳輸效率變低了，只有約80%。 圖 36 MAX232 與單片機(jī)的典型 接口電路 28 28 電磁閥驅(qū)動模塊的設(shè)計 驅(qū)動模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。當(dāng)控制信號 PB0 為低電平時，三級管截止，電磁閥關(guān)閉。 電源模塊的設(shè)計 電源電路是一個系統(tǒng)的核心，是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。所以本系統(tǒng)采用多組三端穩(wěn)壓構(gòu)成穩(wěn)壓電路輸出。在經(jīng)過一個有極性電容和一個無極性電容后濾去低頻和高頻諧波分量在穩(wěn)壓塊的輸入端產(chǎn)生一個基本穩(wěn)定的電壓。 29 29 Q1N P NQ2N P ND 2 0 1I N 4 1 4 8D 2 0 2I N 4 1 4 8V C C V C C12L I N E I NK 3 0 1J1K 3 0