【正文】 .................................. 39 1 1 摘 要 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，對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。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。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，在氣密性檢測領(lǐng)域受到廣泛的青睞。利用高精度 A/D 對壓力和溫度信號進行檢測，通過 LCD 即時顯示采集的壓差數(shù)據(jù)，并提供了通訊接口，便 于數(shù)據(jù)儲存和分析。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行了比較。并按模塊化的設(shè)計思想分別對系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序進行了分析。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)、零點漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實現(xiàn)。最后根據(jù)實驗結(jié)果，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出了系統(tǒng)的精度。 關(guān)鍵詞 ： 測漏儀，單片機檢測，自動化，人機界面 1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，對檢測手段也提出了越來越高的要求。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。 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)。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，不能實現(xiàn)自動化效率很低，不能實現(xiàn)對泄漏的定量的判斷浸水后需對工件做表面處理，防腐，烘干等處理，這樣就加大了測量所需的費用很多對氣密性有 要求的產(chǎn)品，不能夠采用氣泡法進行測量，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?？梢詫@些參數(shù)進行定性和定量的分析，從而判斷出泄漏量。 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。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。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。 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。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。這種采用特殊氣體進行泄漏檢測的方法雖然有較高的可靠性，但是需要采用價格昂貴的檢測儀器。考慮提高測量精度的時候，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。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，同時可以給出測量的泄漏量 。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。 （ 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。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。 （ 3）日本 COSMOS 的公司 日本 COSMOS 的公司空氣測漏儀是對氣密部品成品進行加壓或抽真空后，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測試器。 （ 4）浙江三花通產(chǎn)實業(yè)有限公司 浙江三花通產(chǎn)實業(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)計制造和銷售。 （ 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)項目，但自己開發(fā)的項目較少，主要引進 FUKUDA 公司的技術(shù)。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。 (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。為了能夠使測量更加明顯，一般也會向被測件內(nèi)充入一定壓力的氣體。如圖 12所示 : 壓力表 空氣源 水槽 被測物件 4 4 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。這種方法簡單可靠，使用方便、價格便宜。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。這種方法精度比較高，一般用在高精度場合。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。 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。 第二章在介紹了系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和各個功能塊的劃分，以及關(guān)鍵技術(shù)的選者等。 第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，分模塊的介紹了硬件電路的功能、工作原理、器件的選 取等。 第四章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)，采用模塊化的設(shè)計思想將系統(tǒng)的軟件進行功能塊的劃分，詳細(xì)的介紹了各個功能塊的具體實現(xiàn)，并給出了軟件流程圖 。 最后是本文的結(jié)論，對全文進行了總結(jié)。傳統(tǒng)的氣泡法仍是目前氣密性檢測的主要手段，檢測方式復(fù)雜、容易產(chǎn)生誤判、無法實現(xiàn)檢測自動化。氣體測漏儀是基于被測件內(nèi)氣體的泄漏必將導(dǎo)致壓力的變化而提出的一種新型檢測手段。最后提出了課題的主要研究內(nèi)容文章結(jié)構(gòu)。同時它們之間存在著較大差別，對于直接壓力法，隨著壓力升高，分解能力降低。對于差壓法，則不論檢測壓力多大，均能進行高精度泄漏測量檢測。即使測試壓力變化，但由于同時對工件和標(biāo)準(zhǔn)件充氣，差壓傳感器仍能精確工作。同時在價格上也比直接壓力法高出了很多。對于直接壓力法和差壓法，它們的測量過程基本相似。本文重點以直接壓力為例來介紹氣體測漏的具體實現(xiàn)過程。 直接壓力法檢測如圖所示。當(dāng)測量開始時，打開電磁閥、對被測件進行充氣也就是充氣過程，充氣過程以設(shè)定的壓力向被測工件充氣，充氣階段結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，進入平衡階段。在被測工件中流通的氣體為壓縮氣體，通過電磁閥時會膨脹，冷卻，然后再次被壓縮，升溫。平衡階段結(jié)束時，檢測系統(tǒng)內(nèi)的壓力被保存，作為壓力的參考值。在測量階段，系統(tǒng)通過一段時間的壓力降就可以判斷工件的泄漏 7 7 程度，這個過程可以以數(shù)字的形式顯示出來。當(dāng)放氣階段結(jié)束后，就完成了一個檢測過程。 系統(tǒng)功能塊的劃分 對以上功能進行分析，可以將系統(tǒng)分成以下三個功能塊： （ 1）檢測控制模塊 該部分為整個系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是通過單片機來控制各個閥門的開關(guān)進而完成直接壓力測漏，同時利用傳感器將系統(tǒng)各個階段的壓力信號和溫度信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，再由單片機通過 A/D 接口來進行檢測，送單片機進一步判斷其泄漏量，進而完成一次完整的檢測。該系統(tǒng)加入液晶顯示和鍵盤輸模塊，使得輸入和輸出變得直觀且操作簡單。 關(guān)鍵技術(shù)選擇 以上介紹了本課題所要實現(xiàn)的系統(tǒng)功能，并將其分成了三個功能模塊，要更好的實現(xiàn)這三個功能模塊的功能，需要對實現(xiàn)這些功能的技術(shù)進行必要的了解和謹(jǐn)慎的選擇，以下是對這三個功能塊的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹和選擇。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進口的高精度壓力傳感器，其普遍應(yīng)用于工業(yè)的各個領(lǐng)域中，把氣體，液體壓力轉(zhuǎn)換成正比高線性電信號輸出。 在滿足系統(tǒng)要求的前提下，元器件的選取應(yīng)盡量滿足高性價比、 高可靠性且通用等原則。本課題選用了在單片機中最早實現(xiàn)技術(shù)的公司的，其為、字節(jié)的，足以存儲大量的漢字字符碼。 人機界面的選擇 人機界面主要包括鍵盤與顯示模塊。由于按鍵的數(shù)目較多，系統(tǒng)設(shè)計成行列式鍵盤，鍵值以掃描方式輸入單片機，并采用可編程芯片來擴展系統(tǒng)的輸入輸出口線，這樣有效解決了單片機輸出口 線的不足。該模塊有內(nèi)部的驅(qū)動芯片，提供了與單片機的標(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器的讀寫一樣簡便。 串口通訊模塊的選擇 因為需要同上位機進行通 信，將側(cè)漏儀采集的數(shù)據(jù)輸出，所以本系統(tǒng)必須提供一個可以上位機進行實時通信的接口，由于系列單片機本身就提供了標(biāo)準(zhǔn)串行接口。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。通過此協(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。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)，進行集中監(jiān)控。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。但是本文的通訊主要針對于單片機與上位機之間的通訊，并不是整個網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。所以本系的通訊模塊借鑒了 MODBUS 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的 CRC 檢驗碼的生成過程設(shè)計了一種自定義的通訊協(xié)議。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)總體工 作模型 傳統(tǒng)的直壓法測漏儀一般不檢測溫度信號，利用的是平衡階段溫度信號和壓力信號基本平衡，這就大大地限制了系統(tǒng)的精度，本系統(tǒng)將溫度信號也采集到了系統(tǒng)中，不但提高了系統(tǒng)的精度，同時也為實現(xiàn)快速測量提供了有效的依據(jù)。這就大大限制了儀器的體積和靈活性。大大的減小了系統(tǒng)的體積，使儀器使用起來方便靈活?，F(xiàn)將系統(tǒng)的總體工作情況描述如下： （ 1）首先打開氣源，氣體經(jīng)過過濾器以后變成了純凈的氣體，再經(jīng)過減壓閥以后就等到了一個相對穩(wěn)定的壓力輸出。 （ 2）單片機上電以后首先選擇不同的測試程序進行測試，測試程序的選擇主要依據(jù)減壓閥輸出壓力的設(shè)定和不同被測件的參數(shù)不同。一次完整的檢測過程就結(jié)束，系統(tǒng)準(zhǔn)備下一次檢測。當(dāng)檢測了一定數(shù)量的工件后就可以選擇將一段時間的檢測結(jié)果輸出送給上位機，系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口。對單片機而言，系統(tǒng)要求檢測兩路模擬量的輸入，同時輸出兩路開關(guān)量，并提供了鍵盤輸入接口，液晶顯示輸出接口和通信接口。對直壓法和差壓法進行分析差壓法測量精度高但差壓法測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、差壓傳感器成本高直壓法測量結(jié)構(gòu)簡單，但是測量過程容易受到外界的干擾而影響系統(tǒng)的精度。 AT89S52 單 片 機 鍵盤輸入 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 壓力信號采集電路的設(shè)計 壓力變送器的選擇 壓力信號的采集是整個系統(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。壓力變送器的精度直接影響系統(tǒng)的精度，要滿足 %的壓力 13 13 差檢測精度，壓力傳感器的精度必須更高。 本系統(tǒng)采用的是德國原裝高精度壓力變送器 DMP33LI。供電電源為 VDC12~36V，典型應(yīng)用領(lǐng)域為氣體控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。 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 次以進行轉(zhuǎn)換。提供高達(dá) 8 倍的增益，允許對更小的信號進行測量 ，并且具有高分辨率。 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算方式。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。本課題選用采樣速率 8，輸 14 14 出碼位數(shù)為 16 位。接口是一個線漏極開路輸出接口，支持多個器件和主機共用一條總線到。主機和從機都能讀和寫，但從機只能依主機的方向工作。 一條 I2C 總線由兩條線路組成 :SDA 數(shù)據(jù)線和 SCL 時鐘線。所有數(shù)據(jù)以 8 位為一組，通過總線傳送。 一旦線穩(wěn)定下來，線被高，然后變低。 I2C 總線是雙向的，線可用來發(fā)送 和接收數(shù)據(jù)。絕不會驅(qū)動，因為它不能用作主機，在中只是一個輸入端。在產(chǎn)生通信時，總線被激活，只有主機才能開始一次通信。如果在鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線改變了狀態(tài)，則形成一個開始條件，或相反地形成一個停止條件。 在主機發(fā)送開始條件以后，它還會發(fā)送一個字節(jié)，表明它想與哪一個從機通信，該字節(jié)稱作地址字節(jié)。主機以地址字節(jié)發(fā)送一個地址，并且還發(fā)出一位以表明是對從機讀出還是寫入。在主機發(fā)送完一個字節(jié)即 8位數(shù)據(jù)到從機后，它停止驅(qū)動 SDA線，并等待從機對該字節(jié)的應(yīng)答。類似地當(dāng) 主機完成對一個字節(jié)的讀取時，則 15 15 將 SDA 線拉低以對從機做出應(yīng)答，然后發(fā)送一個時鐘脈沖對該位定時。如果器件不在總線上，并且如果主機試圖對其尋址，它不會接收到應(yīng)答信號，因為該地址處沒有器件將 SDA 線拉低。在發(fā)出停止條件后，總線再次空閑。 ② ADS1110 的 I2C地址 ADS