【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 引起的溫度變化。在被測(cè)工件中流通的氣體為壓縮氣體，通過(guò)電磁閥時(shí)會(huì)膨脹，冷卻，然后再次被壓縮，升溫。由于溫度的變化，也會(huì)導(dǎo)致壓力的變化在平衡階段，電磁閥關(guān)閉，電磁閥打開(kāi)。平衡階段結(jié)束時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力被保存，作為壓力的參考值。系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量階段，如果有氣體從被測(cè)工件中泄漏出去，必將引起壓力下降。在測(cè)量階段，系統(tǒng)通過(guò)一段時(shí)間的壓力降就可以判斷工件的泄漏 7 7 程度，這個(gè)過(guò)程可以以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。當(dāng)測(cè)量階段結(jié)束后將被測(cè)件內(nèi)的 氣體放掉，這階段為放氣階段。當(dāng)放氣階段結(jié)束后，就完成了一個(gè)檢測(cè)過(guò)程。 圖 21 直壓式氣體測(cè)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(cè)漏儀中，加入了液晶顯示和鍵盤(pán)輸入等模塊，提高了檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化水平，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，并且方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，本科題要實(shí)現(xiàn)的功能如下用一種簡(jiǎn)單高效的方法來(lái)檢測(cè)被測(cè)工件的氣體泄漏特性高精度壓力檢測(cè)，可以最小檢測(cè)的壓力變化，檢測(cè)量程為 020BAR，壓力差檢測(cè) 精度為 %將每次檢測(cè)結(jié)果顯示并保存，通過(guò)通訊接口送上位機(jī)以便日后統(tǒng)計(jì)，分析零點(diǎn)漂移的克服。 系統(tǒng)功能塊的劃分 對(duì)以上功能進(jìn)行分析，可以將系統(tǒng)分成以下三個(gè)功能塊： （ 1）檢測(cè)控制模塊 該部分為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)進(jìn)而完成直接壓力測(cè)漏，同時(shí)利用傳感器將系統(tǒng)各個(gè)階段的壓力信號(hào)和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再由單片機(jī)通過(guò) A/D 接口來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，送單片機(jī)進(jìn)一步判斷其泄漏量，進(jìn)而完成一次完整的檢測(cè)。 （ 2）人機(jī)界面選擇模塊 傳統(tǒng)的檢測(cè)手段都是由人來(lái)做判斷，容易產(chǎn) 生誤判。該系統(tǒng)加入液晶顯示和鍵盤(pán)輸模塊，使得輸入和輸出變得直觀且操作簡(jiǎn)單。 （ 3）串口及上位機(jī)通訊模塊 由于每次測(cè)量系統(tǒng)都記錄了大量的數(shù)據(jù)，如壓力值，檢測(cè)結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)都需要通過(guò)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(guò)單片機(jī)減壓閥 電磁閥 1 電磁閥 2 被測(cè)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)。 關(guān)鍵技術(shù)選擇 以上介紹了本課題所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，并將其分成了三個(gè)功能模塊，要更好的實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能模塊的功能，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)進(jìn)行必要的了解和謹(jǐn)慎的選擇，以下是對(duì)這三個(gè)功能塊的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和選擇。 檢 測(cè)控制模塊 本系統(tǒng)主要采集氣體壓力，壓力傳感器主要針對(duì)氣體介質(zhì)，因此，為了提高系統(tǒng)的精度應(yīng)盡量選取高精度的壓力傳感器。傳感器的精度直接影響系統(tǒng)的總體精度，本系統(tǒng)選取的壓力傳感器為德國(guó)進(jìn)口的高精度壓力傳感器，其普遍應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中，把氣體，液體壓力轉(zhuǎn)換成正比高線性電信號(hào)輸出。壓力變送器可以用來(lái)測(cè)量靜壓和動(dòng)壓，可以測(cè)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(mǎn)足全量程調(diào)節(jié)，是本系統(tǒng)的理想傳感器。 在滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的前提下，元器件的選取應(yīng)盡量滿(mǎn)足高性?xún)r(jià)比、 高可靠性且通用等原則。在嵌入式系統(tǒng)低端的單片機(jī)領(lǐng)域和當(dāng)今的工業(yè)線程應(yīng)用中，位機(jī)仍然是主流機(jī)型。本課題選用了在單片機(jī)中最早實(shí)現(xiàn)技術(shù)的公司的，其為、字節(jié)的，足以存儲(chǔ)大量的漢字字符碼。并具有全雙工串行口線，可以方便的與外界進(jìn)行通訊，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)要求。 人機(jī)界面的選擇 人機(jī)界面主要包括鍵盤(pán)與顯示模塊。 為便于操作人員對(duì)該儀器操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)輸入模塊。由于按鍵的數(shù)目較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成行列式鍵盤(pán)，鍵值以掃描方式輸入單片機(jī)，并采用可編程芯片來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的輸入輸出口線，這樣有效解決了單片機(jī)輸出口 線的不足。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(lái)做系統(tǒng)的顯示模塊。該模塊有內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片，提供了與單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)連接電路，使得控制液晶的顯示就如同控制外部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)一樣簡(jiǎn)便。由于具有與、系列相適配的接口，并有專(zhuān)用的指令集，可以實(shí)現(xiàn)畫(huà)面卷動(dòng)、光標(biāo)、 9 9 閃爍、位操作等，足以滿(mǎn)足本系統(tǒng)文本顯示或圖形顯示的功能，此外，該液晶可管理的顯示緩沖區(qū)，并可外接字符發(fā)生器，可同時(shí)顯示行漢字字符，是該系統(tǒng)的理想顯示模塊。 串口通訊模塊的選擇 因?yàn)樾枰衔粰C(jī)進(jìn)行通 信，將側(cè)漏儀采集的數(shù)據(jù)輸出，所以本系統(tǒng)必須提供一個(gè)可以上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的接口，由于系列單片機(jī)本身就提供了標(biāo)準(zhǔn)串行接口。所以只需外擴(kuò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片如 MAX232 就可以實(shí)現(xiàn)串行通訊的功能。但是為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸必須選擇一種可行的通訊協(xié)議。 支持串行通訊的工業(yè)協(xié)議主要是協(xié)議，協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)例如以太網(wǎng)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用 的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如果回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。但是本文的通訊主要針對(duì)于單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，并不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。若采用 MODBUS 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議必將引起資源的浪費(fèi)，降低通訊效率。所以本系的通訊模塊借鑒了 MODBUS 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的 CRC 檢驗(yàn)碼的生成過(guò)程設(shè)計(jì)了一種自定義的通訊協(xié)議。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。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體工 作模型 傳統(tǒng)的直壓法測(cè)漏儀一般不檢測(cè)溫度信號(hào)，利用的是平衡階段溫度信號(hào)和壓力信號(hào)基本平衡，這就大大地限制了系統(tǒng)的精度，本系統(tǒng)將溫度信號(hào)也采集到了系統(tǒng)中，不但提高了系統(tǒng)的精度，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量提供了有效的依據(jù)。另外傳統(tǒng)的直壓法測(cè)漏儀將壓力變送器選擇在被測(cè)件與自檢閥之間，控制器一般選擇微機(jī)。這就大大限制了儀器的體積和靈活性。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(duì)外只提供了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。大大的減小了系統(tǒng)的體積，使儀器使用起來(lái)方便靈活。 10 10 圖 23 系統(tǒng)總體工作模式型示意圖 圖 23所示為基于直接壓力法的氣體測(cè)漏系統(tǒng)的總體工作模型示意圖?，F(xiàn)將系統(tǒng)的總體工作情況描述如下： （ 1）首先打開(kāi)氣源，氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾器以后變成了純凈的氣體，再經(jīng)過(guò)減壓閥以后就等到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的壓力輸出。此壓力輸出根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象而不同。 （ 2）單片機(jī)上電以后首先選擇不同的測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試程序的選擇主要依據(jù)減壓閥輸出壓力的設(shè)定和不同被測(cè)件的參數(shù)不同。進(jìn)入測(cè)試菜單以后，當(dāng)接受到啟動(dòng)檢測(cè)的信號(hào)時(shí)就打開(kāi)充氣閥和自檢閥對(duì)工件進(jìn)行充氣，充氣時(shí) 間結(jié)束系統(tǒng)進(jìn)入平衡等待時(shí)間，平衡階段結(jié)束系統(tǒng)開(kāi)始采集壓力傳感器和溫度傳感器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)階段，檢測(cè)階段結(jié)束后系統(tǒng)將檢測(cè)的結(jié)果顯示到液晶上并保留結(jié)果數(shù)據(jù)，同時(shí)打開(kāi)排氣閥將檢測(cè)氣體排出。一次完整的檢測(cè)過(guò)程就結(jié)束，系統(tǒng)準(zhǔn)備下一次檢測(cè)。系統(tǒng)的充氣時(shí)間，平衡時(shí)間和測(cè)量時(shí)間均由測(cè)試程序設(shè)定。當(dāng)檢測(cè)了一定數(shù)量的工件后就可以選擇將一段時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果輸出送給上位機(jī)，系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口。 系統(tǒng)的總體框圖 泄露模擬接口 顯 示 單 片 機(jī) 溫度變送器 壓力變送器 自檢閥 充氣閥 過(guò)濾器 排氣閥 被測(cè)件 氣源 減壓閥 11 11 圖 24 系統(tǒng)總框圖 圖 24給出 的只是系統(tǒng)的一個(gè)工作模型，圖描述的是系統(tǒng)的實(shí)際原理框圖。對(duì)單片機(jī)而言，系統(tǒng)要求檢測(cè)兩路模擬量的輸入，同時(shí)輸出兩路開(kāi)關(guān)量，并提供了鍵盤(pán)輸入接口，液晶顯示輸出接口和通信接口。 本章小結(jié) 本章介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。對(duì)直壓法和差壓法進(jìn)行分析差壓法測(cè)量精度高但差壓法測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、差壓傳感器成本高直壓法測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是測(cè)量過(guò)程容易受到外界的干擾而影響系統(tǒng)的精度。本文在直接壓力法的基礎(chǔ)上結(jié)合了單片機(jī)控制技術(shù)大連理仁大學(xué)碩士學(xué)位論文提出了系統(tǒng)的總體工作模型和總體框圖，并根據(jù)原理框圖分析了傳感器、人機(jī)界面和串口 通訊等關(guān)鍵技術(shù)的選取原則。 AT89S52 單 片 機(jī) 鍵盤(pán)輸入 壓力表 泄漏閥 溫度變送器 通信模塊 充氣閥 自檢閥 被測(cè)工件 A/D 液晶顯示 模擬調(diào)壓器 壓力變送器 壓縮氣源 A/D 12 12 3 系統(tǒng)的硬件電路 壓力信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) 壓力變送器的選擇 壓力信號(hào)的采集是整個(gè)系統(tǒng)的核心，壓力變送器的精度是影響系統(tǒng)精度的主要因素所以應(yīng)選擇壓力變送器的主要依據(jù)就是高精度。要求對(duì)系統(tǒng)的微小壓力變化就能檢測(cè)出來(lái)。壓力變送器的精度直接影響系統(tǒng)的精度，要滿(mǎn)足 %的壓力 13 13 差檢測(cè)精度，壓力傳感器的精度必須更高。而且壓力量程必須滿(mǎn)足 2/20mA 的系統(tǒng)量程范圍。 本系統(tǒng)采用的是德國(guó)原裝高精度壓力變送器 DMP33LI。其壓力精度滿(mǎn) 足%FOC滿(mǎn)量程調(diào)節(jié)，對(duì)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(hào)為標(biāo)準(zhǔn)兩線制。供電電源為 VDC12~36V，典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闅怏w控制系統(tǒng)，過(guò)程控制系統(tǒng)。滿(mǎn)足了系統(tǒng)的量程范圍與精度要求。 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1110 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1110 總體介紹 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1110 是精密的連續(xù)自校準(zhǔn) A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16 位的分辨率，可每秒采樣 12 或 128 次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器 PGA。提供高達(dá) 8 倍的增益，允許對(duì)更小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 ，并且具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。 表 31 最小碼和最大碼 采樣速率（ sps） 位數(shù) 最小值 最大值 8 16 32768 32767 16 15 16864 16383 32 14 8192 8191 使用需要熟悉輸出碼的計(jì)算方式。輸出碼是一個(gè)標(biāo)量值除電路削波以外，它與兩個(gè)模擬輸入端的壓差成比例。輸出碼限定在一定數(shù)目范圍內(nèi)，該范圍取決于代表輸出碼所需要的位數(shù)，而的代表輸出碼所需要的位數(shù)又取決于數(shù)據(jù)速率，如表所示。 DDinin V VVP G A1 ）（）（最小碼）（輸出碼 ?????? (31)對(duì)最小碼的最小輸出碼、可編程增益放大器的增益設(shè)置、 V+與 V的正負(fù)輸入電壓以及 VDD 而言，輸出碼由以下表達(dá)式計(jì)算出。本課題選用采樣速率 8，輸 14 14 出碼位數(shù)為 16 位。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1110 使用 ① I2C接口 通過(guò)一個(gè)內(nèi)部集成電路 I2C 接口通信。接口是一個(gè)線漏極開(kāi)路輸出接口，支持多個(gè)器件和主機(jī)共用一條總線到?？偩€上的通信通常發(fā)生在兩個(gè)器 件之間，其中一個(gè)作為主機(jī)，另一個(gè)從機(jī)。主機(jī)和從機(jī)都能讀和寫(xiě)，但從機(jī)只能依主機(jī)的方向工作。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)。 一條 I2C 總線由兩條線路組成 :SDA 數(shù)據(jù)線和 SCL 時(shí)鐘線。 SDA 傳送數(shù)據(jù)， SCL 是時(shí)鐘。所有數(shù)據(jù)以 8 位為一組，通過(guò)總線傳送。為了在總線上傳送位數(shù)據(jù)，須在為 SCL 低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)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”。 一旦線穩(wěn)定下來(lái)，線被高，然后變低。線上的脈沖以時(shí)鐘將位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。 I2C 總線是雙向的，線可用來(lái)發(fā)送 和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線主機(jī)總是驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘線。絕不會(huì)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗荒苡米髦鳈C(jī)，在中只是一個(gè)輸入端。多數(shù)時(shí)候總線是空閑的，不發(fā)生通信，而且兩條線均為高電平。在產(chǎn)生通信時(shí)，總線被激活，只有主機(jī)才能開(kāi)始一次通信。為了開(kāi)始通信，主機(jī)在總線上形成一個(gè)開(kāi)始條件，通常只有在時(shí)鐘線為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線才允許改變狀態(tài)。如果在鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線改變了狀態(tài)，則形成一個(gè)開(kāi)始條件，或相反地形成一個(gè)停止條件。始條件是當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線從高到低的跳變停止條件則是當(dāng) 時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線從低到高的跳變。 在主機(jī)發(fā)送開(kāi)始條件以后，它還會(huì)發(fā)送一個(gè)字節(jié)，表明它想與哪一個(gè)從機(jī)通信，該字節(jié)稱(chēng)作地址字節(jié)。 I2C 總線上的每個(gè)器件都有一個(gè)獨(dú)特的 7 位地址以做出響應(yīng)。主機(jī)以地址字節(jié)發(fā)送一個(gè)地址，并且還發(fā)出一位以表明是對(duì)從機(jī)讀出還是寫(xiě)入。 對(duì)于在 I2C總線上發(fā)送的每個(gè)字節(jié)，無(wú)論是地址還是數(shù)據(jù)，均以一個(gè)應(yīng)答位作為響應(yīng)。在主機(jī)發(fā)送完一個(gè)字節(jié)即 8位數(shù)據(jù)到從機(jī)后，它停止驅(qū)動(dòng) SDA線，并等待從機(jī)對(duì)該字節(jié)的應(yīng)答。從機(jī)將 SDA 線拉低以對(duì)該字節(jié)進(jìn)行應(yīng)答，然后主機(jī)發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖以對(duì)該應(yīng)答位定時(shí)。類(lèi)似地當(dāng) 主機(jī)完成對(duì)一個(gè)字節(jié)的讀取時(shí)，則 15 15 將 SDA 線拉低以對(duì)從機(jī)做出應(yīng)答，然后發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)該位定時(shí)。 在一個(gè)應(yīng)答周期期間，不作應(yīng)答，只是保持 SDA 線為高電平。如果器件不在總線上，并且如果主機(jī)試圖對(duì)其