机电一体化毕业设计（论文）单片机气体测漏仪的设计

毕业设计说明书（ 2010 届 ）设计（论文）题目 单片机气体测漏仪的设计 办 学 点 （系） 连云港 （信息工程系） 专 业 机电一体化 班级 07机电（五） 学号 学生姓名指导教师 职称 助教 2011年11月1日 I目 录摘 要11 绪论11.1 国内外研究概况及发展趋势21.1.1 研究现状21.1.2 测漏检测的发展方向21.1.3 国内外研发的相关产品及应用21.2 常用气体测漏方法31.3论文主要内容与本文结构41.4本章小结52 系统总体设计62.1 系统整体功能介绍62.1.1 对直压法和差压法的分析62.1.2 本课题的主要工作72.1.3 系统功能块的划分72.2 关键技术选择82.2.1 检测控制模块82.2.2 人机界面的选择82.2.3 串口通讯模块的选择92.3 系统总体结构设计92.3.1 系统总体工作模型92.3.2 系统的总体框图10图2-4 系统总框图112.4 本章小结113 系统的硬件电路123.1 压力信号采集电路的设计123.1.1 压力变送器的选择123.1.2 A/D转换器ADS1110133.1.3 ADS1110与单片机的硬件连接153.2 温度信号采集电路的设计163.2.1 温度信号处理电路163.3 人机界面的设计193.3.1 键盘输入模块的设计193.4 通讯模块的设计243.4.1 串口通讯协议243.4.2 通讯模块与单片机的接口电路273.5电磁阀驱动模块的设计283.6 电源模块的设计283.7 本章小结294.1 系统主程序流程图及零点漂移的克服294.2 键盘及显示模块的实现314.2.1 键盘输入模块流程314.3 压力、温度信号采集流程334.4 算法的实现344.4.1 零点漂移的克服算法344.4.2 数字滤波算法344.4.3温度补偿算法364.5 通讯模块的软件流程364.5.1 自定义软件通讯协议364.5.2 校验原理分析37参 考 文 献39摘 要现代生产技术的不断进步，对检测手段提出了越来越高的要求。气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要的作用。特别是在汽车行业，能否保证汽缸的气密性，直接影响着汽车的性能。随着测漏技术的发展，气体测漏仪的研究使测漏技术得到了更广泛的应用。传统的测漏方法操作不灵活，容易产生误判，而且不利于数据的存储分析。直压式气体测漏由于具有原理简单、成本较低、方便实用、干净无污染等优点，在气密性检测领域受到广泛的青睐。本文设计了一种基于干式测漏法(直接压力测试法)结合单片机技术的气体测漏仪。利用高精度A/D对压力和温度信号进行检测，通过LCD即时显示采集的压差数据，并提供了通讯接口，便于数据储存和分析。克服了传统方法易受主观因素的影响等缺点，实现了气密性检测的自动化。论文首先阐述了课题的背景以及研究现状，对各种气密性检测方法进行了比较。给出了系统的总体工作模型和总体框图。并按模块化的设计思想分别对系统的硬件电路和软件程序进行了分析。硬件电路主要包括:压力信号采集电路、温度信号采集电路、键盘及显示电路、电磁阀驱动电路、电源电路和控制电路的设计和原理分析;软件设计主要包括:主程序的实现、键值的输出采集、液晶标准接口的读写、虚拟I2C总线的实现、零点漂移的克服以及自定义通讯协议的实现。同时，给出了各程序模块的设计思想和流程图。最后根据实验结果，对实验数据进行分析，得出了系统的精度。总结了本文的特点及不足，为快速性测量提供了现实依据。关键词：测漏仪，单片机检测，自动化，人机界面1 绪论 现代生产技术的不断进步，对检测手段也提出了越来越高的要求。气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要的作用。特别是在汽车行业，能否保证气缸的气密性，直接影响着汽车的性能。随着测漏技术的发展，气体测漏仪的研究使测漏技术得到了更广泛的应用，如何快速检测泄漏又称气密性试，长期以来一直是科研和实践领域的重要课题。 泄漏检测也称密封性检测，属性能指标范畴，主要用于测试被测件的气密性状态。国内外广为采用的方法为水没法，又称湿式检测法，就是将充入一定压力气体的工件浸没在水中然后由人工观察的方法，判断是否有气泡产生，并由气泡产的多少估计其泄漏程度。这种方法虽然不需要操作人员较高的技术，且不需要配备特殊设备，且还能准确找出泄漏位置，但是由于人的主观性因素的影响很容易产生误判，不能实现自动化效率很低，不能实现对泄漏的定量的判断浸水后需对工件做表面处理，防腐，烘干等处理，这样就加大了测量所需的费用很多对气密性有要求的产品，不能够采用气泡法进行测量，因此，迫切需要一种更好的方法来代替它，利用气体的性质来检测气密性的方法，就是现在常用的干式检漏法。由于泄漏造成被测件内气体质量减少，这样必然引起被测件内气体的一些参数发生变化。可以对这些参数进行定性和定量的分析，从而判断出泄漏量。其中最为常用的两种方法就是直接压力法和差压法，它们都是以压缩空气来代替真实介质，对被测工件充气加压或抽真空介质为空气，然后对其压力或差压与比较容器之间进行取样分析，从而判断工件是否泄漏，这种方法清洁、无污染，而且简单易行，给实际生产生活带来了极大的方便，得到了一定的推广。1.1 国内外研究概况及发展趋势1.1.1 研究现状 日前测漏仪的种类很多，而且应用也越来越广泛，在我们生产生活中的许多领域都有应用。测漏技术的发展对我们产品质量的提高有着很大的促进作用，同时提高了工作效率，节省了大量的人力物力，在泄漏测量自动化方面实现了质的飞跃。当前国外一些厂家在技术上较为成熟一些，例如，日本、法国、美国等在技术上具有较大的优势。而且他们的产品的性能也好一些，精度也要高一些。国内目前也有一些生产测漏仪的厂家，虽然在测漏仪方面，技术比较成熟，而且推出了许多新产品，但是很多技术主要来自国外，比如天津的福田公司、浙江的三花集团。它们的测量效率较低，很难应用在生产线上，如何实现测量的快速性问题，是当前气体测漏仪所要解决的首要问题。1.1.2 测漏检测的发展方向 目前气压法测漏仪，技术上还存在着许多问题，仍需要不断发展和完善。从检测性质的本身来看，发展方向主要在于如何缩短测量时间，提高测量精度，降低产品价格，再就是如何确定泄漏的位置。目前还没有一种好的方法来确定泄漏的位置，一般还是采用测量精度较高的气泡法，还可以判断出泄漏的位置。还有一些厂家用特殊气体来检测泄漏位置，但是特殊气体泄漏会造成环境污染。这种采用特殊气体进行泄漏检测的方法虽然有较高的可靠性，但是需要采用价格昂贵的检测仪器。气压法检测由于采用空气作为检测介质，因此不会产生污染，而且检测方便、不需特殊仪器。考虑提高测量精度的时候，主要分析如何克服外界环境的干扰主要是温度，如何使被测件内部的气流快速趋于稳定。从控制方法上来看，控制手段越来越多，如单片机控制、控制、计算机控制等等，测漏仪的操作界面也越来越人性化，而且操作越来越方便。如法国公司的产品，带有显示屏，可以显示容器内的压力变化，同时可以给出测量的泄漏量。1.1.3 国内外研发的相关产品及应用 随着测漏技术的发展，气体测漏仪的应用领域也越来越广。从以前的汽车制造业己经发展到了现在的一般日用品行业、家用电器、食品包装、医疗器械等。现在生产气体测漏仪的厂家很多，产品也能满足不同测试条件的要求。（1）法国ATEQ公司 法国ATEQ为世界制造气密性测试仪器的先驱，涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域。它生产的测漏仪能找到零件上导致泄漏的孔的位置，泄漏量使用范围自10N9毫升至升10000升/小时;还提供了多种检测模式供操作者选择，使操作界面尽量适和操作者的使用。（2）美国USON的公司 美国USON也生产很多种类型的测漏仪，它的4000系列提供了多种检测模式，同时考虑到了测漏性能、泄漏量、以及针对实际中不同被测物的容积及泄漏大小提供了相应的产品而且其操作界面非常友好、对操作者要求不高，其4000系列还具有较快的测试速度和较高的灵敏度。（3）日本COSMOS的公司 日本COSMOS的公司空气测漏仪是对气密部品成品进行加压或抽真空后，通过测出被测件与标准件之间的微小差压来判断是否有泄漏的自动测试器。它由耐高压的差压传感器，高性能的气动阀等构成真空回路，功能齐全，性能可靠，能适应各种不同条件下的测试。（4）浙江三花通产实业有限公司 浙江三花通产实业有限公司该公司专业从事泄漏检测仪及其它专用设备的设计制造和销售。它研制、生产及销售ALT系列泄漏检测仪、检测专机及自动化泄漏检测线。（5）福田天津仪器仪表公司 福田天津仪器仪表研究所承接国内外客户有关空气压测试、控制等方面的各种开发项目，但自己开发的项目较少，主要引进FUKUDA公司的技术。1.2 常用气体测漏方法 随着测漏技术的发展，测漏仪的种类也越来越多。但在测漏仪的原理方面，主要应分为湿式和干式其中湿式检测法主要是指气泡法，干式检测法主要包括下面提到流量测试法、直接压力测试法、差压测试法、氦气测量方法等。下面对这几种检测原理分别作简单介绍。(1)气泡法(The leak detecting method by air bubble) 传统的测漏方法主要是气泡法。气泡法是指将被测件密封后放入水中，然后观察气泡的产生情况来判断泄漏量的大小的方法。为了能够使测量更加明显，一般也会向被测件内充入一定压力的气体。如图1-1所示:压力表空气源水槽被测物件图1-1 气泡检测法(2)流量测试法(The leak detecting method by air flow meter)当气源对被测件充气完毕后，如果被测件有泄漏，整个密封系统就会有气体的流动，泄漏量与流量相同，用微小流量测试仪就可以测出泄漏量。如图1-2所示:被测件空气源微小流量泄露图1-2 流量测试法(3)直接压力测试法(The leak detecting method by air pressure decay)加正压或负压后关闭阀门，由压力表或压力传感器、压力开关等测出因被测物泄漏引起的压力下降值。而且由压力的下降值就可以计算泄漏量的大小。这种方法简单可靠，使用方便、价格便宜。如图1-3所示：压力表被测件空气源图1-3 压力检测法(4)差压测试法(The leak detecting method by air pressure difference)对被测件和标准件同时充入压缩气体，由高精度的差压传感器测出被测件与标准件之间的压力差。在一般情况下首选直接压力法，在精度要求较高的场合才选用差压法。(5)氦气测量方法(The leak detecting method by helium mass measurement)将混有氦元素的压缩气体充入被测件，且将被测件放入密封容器，通过氦元素检测装置测量密封容器里氦元素的含量来分析被测件泄漏量的大小。这种方法精度比较高，一般用在高精度场合