【正文】 .................................. 39 1 1 摘 要 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)手段提出了越來(lái)越高的要求。氣密性檢測(cè)作為檢測(cè)方式的一 種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面起著越來(lái)越重要的作用。隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的研究使測(cè)漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。直壓式氣體測(cè)漏由于具有原理簡(jiǎn)單、成本較低、方便實(shí)用、干凈無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在氣密性檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的青睞。利用高精度 A/D 對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò) 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。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(cè)方法進(jìn)行了比較。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。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(xiě)、虛擬 I2C 總線(xiàn)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)。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。 關(guān)鍵詞 ： 測(cè)漏儀，單片機(jī)檢測(cè)，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(cè)手段也提出了越來(lái)越高的要求。特別是在汽車(chē)行業(yè)，能否保證氣缸的氣密性，直接影響著汽車(chē)的性能。 泄漏檢測(cè)也稱(chēng)密封性檢測(cè)，屬性能指標(biāo)范疇，主要用于測(cè)試被測(cè)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(guān)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(cè)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(cè)量，因此，迫切需要一種更好的方法來(lái)代替它，利用氣體的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)氣密性的方法，就是現(xiàn)在常用的干式檢漏法。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。 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 研究現(xiàn)狀 日前測(cè)漏儀的種類(lèi)很多，而且應(yīng)用也越來(lái)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(guó)外一些廠(chǎng)家在技術(shù)上較為成熟一些，例如，日本、法國(guó)、美國(guó)等在技術(shù)上具有較大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)目前也有一些生產(chǎn)測(cè)漏儀的廠(chǎng)家，雖然在測(cè)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(lái)自國(guó)外，比如天津的福田公司、浙江的三花集團(tuán)。 測(cè)漏檢測(cè)的發(fā)展方向 目前氣壓法測(cè)漏儀，技術(shù)上還存在著許多問(wèn)題，仍需要不斷發(fā)展和完善。目前還沒(méi)有一種好的方法來(lái)確定泄漏的位置，一般還是采用測(cè)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(jìn)行泄漏檢測(cè)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(cè)儀器?？紤]提高測(cè)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(cè)件內(nèi)部的氣流快速趨于穩(wěn)定。如法國(guó)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(cè)量的泄漏量 。從以前的汽車(chē)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(guó) ATEQ 公司 法國(guó) ATEQ 為世界制造氣密性測(cè)試儀器的先驅(qū)，涉及汽車(chē)、醫(yī)藥、家電、壓鑄、包裝、閥門(mén)、煤氣、電子、建筑、航空等領(lǐng)域。還提供了多種檢測(cè)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(cè)漏儀是對(duì)氣密部品成品進(jìn)行加壓或抽真空后，通過(guò)測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的微小差壓來(lái)判斷是否有泄漏的自動(dòng)測(cè)試器。 （ 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(zhuān)業(yè)從事泄漏檢測(cè)儀及其它專(zhuān)用設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和銷(xiāo)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(guó)內(nèi)外客戶(hù)有關(guān)空氣壓測(cè)試、控制等方面的各種開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，但自己開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目較少，主要引進(jìn) FUKUDA 公司的技術(shù)。但在測(cè) 漏儀的原理方面，主要應(yīng)分為濕式和干式其中濕式檢測(cè)法主要是指氣泡法，干式檢測(cè)法主要包括下面提到流量測(cè)試法、直接壓力測(cè)試法、差壓測(cè)試法、氦氣測(cè)量方法等。 (1)氣泡法 (The leak detecting method by air bubble) 傳統(tǒng)的測(cè)漏方法主要是氣泡法。為了能夠使測(cè)量更加明顯，一般也會(huì)向被測(cè)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(cè)物件 4 4 圖 12 流量測(cè)試法 (3)直接壓力測(cè)試法 (The leak detecting method by air pressure decay) 加正壓或負(fù)壓后關(guān)閉閥門(mén)，由壓力表或壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)等測(cè)出因被測(cè)物泄漏引起的壓力下降值。這種方法簡(jiǎn)單可靠，使用方便、價(jià)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(chǎng)合才選用差壓法。這種方法精度比較高，一般用在高精度場(chǎng)合。其豐富的外設(shè)如鍵盤(pán)輸入和液晶顯示輸出簡(jiǎn)化了操作人員的操作，便于觀(guān)察結(jié)果，不易產(chǎn)生誤判。 三是將直接壓力測(cè)試法與差壓測(cè)試法集中到一種控制器中供用戶(hù)自由選擇，方便了 不同用戶(hù)的不同需求。 第二章在介紹了系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和各個(gè)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(jì)，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(shí)現(xiàn)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將系統(tǒng)的軟件進(jìn)行功能塊的劃分，詳細(xì)的介紹了各個(gè)功能塊的具體實(shí)現(xiàn)，并給出了軟件流程圖 。 最后是本文的結(jié)論，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。傳統(tǒng)的氣泡法仍是目前氣密性檢測(cè)的主要手段，檢測(cè)方式復(fù)雜、容易產(chǎn)生誤判、無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。氣體測(cè)漏儀是基于被測(cè)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(cè)手段。最后提出了課題的主要研究?jī)?nèi)容文章結(jié)構(gòu)。同時(shí)它們之間存在著較大差別，對(duì)于直接壓力法，隨著壓力升高，分解能力降低。對(duì)于差壓法，則不論檢測(cè)壓力多大，均能進(jìn)行高精度泄漏測(cè)量檢測(cè)。即使測(cè)試壓力變化，但由于同時(shí)對(duì)工件和標(biāo)準(zhǔn)件充氣，差壓傳感器仍能精確工作。同時(shí)在價(jià)格上也比直接壓力法高出了很多。對(duì)于直接壓力法和差壓法，它們的測(cè)量過(guò)程基本相似。本文重點(diǎn)以直接壓力為例來(lái)介紹氣體測(cè)漏的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 直接壓力法檢測(cè)如圖所示。當(dāng)測(cè)量開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)電磁閥、對(duì)被測(cè)件進(jìn)行充氣也就是充氣過(guò)程，充氣過(guò)程以設(shè)定的壓力向被測(cè)工件充氣，充氣階段結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，進(jìn)入平衡階段。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。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。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)放氣階段結(jié)束后，就完成了一個(gè)檢測(cè)過(guò)程。 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)。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(guān)且操作簡(jiǎn)單。 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。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(xiàn)性電信號(hào)輸出。 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。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。 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。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?huà)呙璺绞捷斎雴纹瑱C(jī)，并采用可編程芯片來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的輸入輸出口線(xiàn)，這樣有效解決了單片機(jī)輸出口 線(xiàn)的不足。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。 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。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(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。有了它，不同廠(chǎng)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。它描述了控制器請(qǐng)求訪(fǎng)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。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。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。 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)。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(lái)方便靈活。現(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。 （ 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。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)。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。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。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。 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。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。 本系統(tǒng)采用的是德國(guó)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?yàn)闅怏w控制系統(tǒng)，過(guò)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。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。 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(gè)線(xiàn)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(xiàn)到。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。 一條 I2C 總線(xiàn)由兩條線(xiàn)路組成 :SDA 數(shù)據(jù)線(xiàn)和 SCL 時(shí)鐘線(xiàn)。所有數(shù)據(jù)以 8 位為一組，通過(guò)總線(xiàn)傳送。 一旦線(xiàn)穩(wěn)定下來(lái)，線(xiàn)被高，然后變低。 I2C 總線(xiàn)是雙向的，線(xiàn)可用來(lái)發(fā)送 和接收數(shù)據(jù)。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。在產(chǎn)生通信時(shí)，總線(xiàn)被激活，只有主機(jī)才能開(kāi)始一次通信。如果在鐘線(xiàn)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)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。 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)。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。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(xiàn)，并等待從機(jī)對(duì)該字節(jié)的應(yīng)答。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(xiàn)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)。如果器件不在總線(xiàn)上，并且如果主機(jī)試圖對(duì)其尋址，它不會(huì)接收到應(yīng)答信號(hào)，因?yàn)樵摰刂诽帥](méi)有器件將 SDA 線(xiàn)拉低。在發(fā)出停止條件后，總線(xiàn)再次空閑。 ② ADS1110 的 I2C地址 ADS