1、 畢業(yè)設(shè)計說明書 ） 2010 屆 （ 單片機氣體測漏儀的設(shè)計 題（論文）目設(shè)計 （信息工程系） 連云港 系 辦學(xué) 點）（ 機電一體化 業(yè)專 07班機電（五）級 0739010132 學(xué)號 堃學(xué)生 劉 名姓 助教職稱 李國曉指導(dǎo) 師教 日年2011111月 江蘇城市職業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 錄 目摘 要 . 1 1 緒論 . 1 1.1 國內(nèi)外研究簡況及發(fā)展趨勢 . 1 1.1.1 研究現(xiàn)狀 . 1 1.1.2 測漏檢測的發(fā)展方向 . 2 1.1.3 國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 . 2 1.2 常用氣體測漏方法 . 3 1.3論文主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu). 4 1.4本章小結(jié) . 5 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 .

2、5 2.1 系統(tǒng)整體功能介紹 . 5 2.1.1 對直壓法和差壓法的分析 . 5 2.1.2 本課題的主要工作 . 6 2.1.3 系統(tǒng)功能塊的劃分 . 6 2.2 關(guān)鍵技術(shù)選擇 . 7 2.2.1 檢測控制模塊 . 7 2.2.2 人機界面的選擇 . 8 2.2.3 串口通訊模塊的選擇 . 8 2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 8 2.3.1 系統(tǒng)總體工作模型 . 8 2.3.2 系統(tǒng)的總體框圖 . 10 圖2-4 系統(tǒng)總框圖 . 10 2.4 本章小結(jié) . 10 3 系統(tǒng)的硬件電路 . 11 3.1 壓力信號采集電路的設(shè)計 . 11 3.1.1 壓力變送器的選擇 . 11 3.1.2 A/D轉(zhuǎn)

3、換器ADS1110 . 12 3.1.3 ADS1110與單片機的硬件連接 . 14 3.2 溫度信號采集電路的設(shè)計 . 15 3.2.1 溫度信號處理電路 . 15 3.3 人機界面的設(shè)計 . 18 3.3.1 鍵盤輸入模塊的設(shè)計 . 18 3.4 通訊模塊的設(shè)計 . 23 3 2 . 串口通訊協(xié)議3.4.1 3.4.2 通訊模塊與單片機的接口電路 . 25 3.5電磁閥驅(qū)動模塊的設(shè)計. 26 3.6 電源模塊的設(shè)計 . 26 3.7 本章小結(jié) . 27 4.1 系統(tǒng)主程序流程圖及零點漂移的克服 . 28 4.2 鍵盤及顯示模塊的實現(xiàn) . 29 4.2.1 鍵盤輸入模塊流程 . 29 4.3

4、 壓力、溫度信號采集流程 . 31 4.4 算法的實現(xiàn) . 32 4.4.1 零點漂移的克服算法 . 32 4.4.2 數(shù)字濾波算法 . 32 4.4.3溫度補償算法 . 34 4.5 通訊模塊的軟件流程 . 34 4.5.1 自定義軟件通訊協(xié)議 . 34 4.5.2 校驗原理分析 . 34 . 36 獻 文 考 參 要 摘現(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。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。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。傳統(tǒng)的測漏方法操作不

5、靈活，容易產(chǎn)生誤判，而且不利于數(shù)據(jù)的存儲分析。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。本文設(shè)計了一種基于干式測漏法(直接壓力測試法)結(jié)合單片機技術(shù)的氣體測漏儀。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。克服了傳統(tǒng)方法易受主觀因素的影響等缺點，實現(xiàn)了氣密性檢測的自動化。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。給出了系統(tǒng)的總體工作模型和總體框圖。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。硬件電路主要包括:壓力信號采

6、集電路、溫度信號采集電路、鍵盤及顯示電路、電磁閥驅(qū)動電路、電源電路和控制電路的設(shè)計和原理分析。軟件設(shè)計主要包括:主程序的實現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標準接口的讀寫、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)。同時，給出了各程序模塊的設(shè)計思想和流程圖。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。總結(jié)了本文的特 點及不足，為快速性測量提供了現(xiàn)實依據(jù)。 關(guān)鍵詞：測漏儀，單片機檢測，自動化，人機界面 緒論1 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。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)，能否保證氣缸的氣密性，

7、直接影響著汽車的性能。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，如何快速檢測泄漏又稱氣密性試，長期以來一直是科研和實 踐領(lǐng)域的重要課題。 泄漏檢測也稱密封性檢測，屬性能指標范疇，主要用于測試被測件的氣密性狀態(tài)。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。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

8、，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。由于泄漏造成被測件內(nèi)氣體質(zhì)量減少，這樣必然引起被測件內(nèi)氣體的一些參數(shù)發(fā)生變化。可以對這些參數(shù)進行定性和定量的分析，從而判斷出泄漏量。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之間進行取樣分析，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。 國

9、內(nèi)外研究簡況及發(fā)展趨勢1.1 研究現(xiàn)狀1.1.1 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。測漏技術(shù)的發(fā)展對我們產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著很大的促進作用，同時提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力，在泄漏測量自動化方面實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當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。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。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。它們的測量效率較低，很難應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如何實 現(xiàn)測量的

10、快速性問題，是當前氣體測漏儀所要解決的首要問題。 測漏檢測的發(fā)展方向1.1.2 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。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。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。還有一些廠家用特殊氣體來檢測泄漏位置，但是特殊氣體泄漏會造成環(huán)境污染。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。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。考慮提高測

11、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。從控制方法上來看，控制手段越來越多，如單片機控制、控制、計算機控制等等，測漏儀的操作界面也越來越人性化，而且操作越來越方便。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。 國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用1.1.3 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。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。現(xiàn)在生產(chǎn)氣體測漏 儀的廠家很多，產(chǎn)品也能滿足不同測試條件的要求。 公司）法國ATEQ（1 法國ATEQ為世界制造氣密性測試儀

12、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。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。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。 的公司USON（2）美國 美國USON也生產(chǎn)很多種類型的測漏儀，它的4000系列提供了多種檢測模式，同時考慮到了測漏性能、泄漏量、以及針對實際中不同被測物的容積及泄漏大小提供了相應(yīng)的產(chǎn)品而且其操作界面非常友好、對操作者要求不高，其4000系列還具有較快的測試速度和較 高的靈敏度。 的公司COSMOS）日本（3 日本COSMOS的公司空氣測漏儀是對氣密

13、部品成品進行加壓或抽真空后，通過測出被測件與標準件之間的微小差壓來判斷是否有泄漏的自動測試器。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。 ）浙江三花通產(chǎn)實業(yè)有限公司（4 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 系列泄漏檢測儀、檢測專機及自動化泄漏檢測線。銷售。它研制、生產(chǎn)及銷售ALT ）福田天津儀器儀表公司5（ 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)工 公司的技術(shù)。FUKUDA程，但自己開發(fā)的工程較少，主要引進 常用氣體測漏方法1.2 隨著測漏技術(shù)的發(fā)展，測漏儀的

14、種類也越來越多。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。下面對這幾種檢測原理分別作簡單 介紹。 (The leak detecting method by air bubble)氣泡法(1) 傳統(tǒng)的測漏方法主要是氣泡法。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。為了能夠使測量更加明顯，一般也會向被測件內(nèi) :1-1所示充入一定壓力的氣體。如圖 力壓 表 被測物件 空氣源 水槽 圖1-1 氣泡檢測法(The leak detecting meth

15、od by air flow meter) (2)流量測試法當氣源對被測件充氣完畢后，如果被測件有泄漏，整個密封系統(tǒng)就會有氣體的流動， :所示泄漏量與流量相同，用微小流量測試儀就可以測出泄漏量。如圖1-2 被 測 微小流量 件 空氣源 泄露 1-2 流量測試法圖 (The leak detecting method by air pressure decay)(3)直接壓力測試法加正壓或負壓后關(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。而且由壓力的下降值就可以計算泄漏量的大小。這種方法簡單可靠，使 所示：1-3用方便、價格便宜。如圖壓力空氣 壓力檢測法圖1-3

16、(The leak detecting method by air pressure difference)(4)差壓測試法對被測件和標準件同時充入壓縮氣體，由高精度的差壓傳感器測出被測件與標準件之間 的壓力差。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。 (The leak detecting method by helium mass measurement)(5)氦氣測量方法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。這種方法精度比較高，一般 用在高精度場合。 1-1:上述檢測方法的測試

17、性能對比見表 1-1各種檢測方法的性能對比表 經(jīng)濟性 壽命 適用性序號測試方法 自動化 檢測能力 可靠性不太好 特好不好好 不好 好 氣泡檢測法好流量檢測法 好好 不好 好 好 好 直壓式檢測法 好 不太好特好不太好 好 好特好差壓式檢測法 特好好 好 好 不好 氦元素檢測法 好 不太好好 不太好 特好 論文主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu)1.3本課題“基于單片機的氣體測漏儀的研究”是對傳統(tǒng)氣體測漏方法的一種改進和新的嘗 :試，其特色主要在以下幾點一是加入了單片機作為控制核心。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。二是提出了一種二次采集的控制方法，有效地克服

18、了許多模擬儀器無法克服的零點漂 移的問題，提高了系統(tǒng)的測試精度。 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。 :本文分為六部分第一章緒論，首先闡述了提出本課題的背景，然后介紹了氣體測漏技術(shù)的國內(nèi)外研究 現(xiàn)狀，最后介紹了本課題的主要特色。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。 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。第三章詳細介紹了系統(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。給出了詳細的電路圖解，并對其中的相關(guān)技術(shù)給出了詳細的介紹。第四章詳細的介紹了

19、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，詳細的介紹了各個功能塊的具體實現(xiàn)，并給出了軟件流程圖。 第五章介紹了實驗結(jié)果分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新點以及發(fā)展方向。 最后是本文的結(jié)論，對全文進行了總結(jié)。 本章小結(jié)1.4本章概述了氣體測漏技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和目前的發(fā)展方向。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。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。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。具有方便、無污染等優(yōu) 點。最后提出了課題的主要研究內(nèi)容文章結(jié)構(gòu)。2 系統(tǒng)總體設(shè)

20、計 2.1 系統(tǒng)整體功能介紹 2.1.1 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)壓力變化原理進行測量。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。而且檢出時間長，受溫度影響和變形影響大，對于不同的測試壓力要求，要采用適用壓力范圍不同的傳感器。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。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。即使測試壓力變化，但由于同時對工件和標準件充氣，

21、差壓傳感器仍能精確工作。 從以上比較不難看出，差壓法的精度遠高于直接壓力法，但由于差壓法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還必須有一個全密封的標準件來配合使用，給測量帶來了很大的不便。同時在價格上也比直接壓力法高出了很多。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，但當我們對精度有較高要求時我們就應(yīng)該考慮采用差壓法。對于直接壓力法和差壓法，它們的測量過程基本相似。都是由充氣、平衡、測量和放氣四個過程組成。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。圖給出了測量的四個階段被測件內(nèi)的 壓力變化。直接壓力法檢測如圖所示。測量主要分為四個過程，即充氣過程、平衡過程、測量過程和放氣過程。當測量開始

22、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。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。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。由于溫度的變化，也會導(dǎo)致壓力的變化在平衡階段，電磁閥關(guān)閉，電磁閥打開。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。系統(tǒng)進入測量階段，如果有氣體從被測工件中泄漏出去，必將引起壓力下降。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

23、泄漏程度，這個過程可以以數(shù)字的形式顯示出來。當測量階段結(jié)束后將被測件內(nèi)的氣體 放掉，這階段為放氣階段。當放氣階段結(jié)束后，就完成了一個檢測過程。 壓力傳感器2 電磁閥 被測件1 電磁閥 減壓閥 直壓式氣體測漏原理圖2-1 圖 本課題的主要工作2.1.2 本課題將單片機控制應(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0-20BAR將每次檢測結(jié)果顯示并保存，通過通

24、訊接口送上位機以便日后統(tǒng)0.1%壓力差檢測精度為 計，分析零點漂移的克服。 系統(tǒng)功能塊的劃分2.1.3 對以上功能進行分析，可以將系統(tǒng)分成以下三個功能塊： ）檢測控制模塊（1 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。 ）人機界面選擇模塊2（ 傳統(tǒng)的檢測手段都是由人來做判斷，容易產(chǎn)生誤判。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。 ）串口及上位機通訊模塊3（ 由于每次

25、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保存以方便日后的分析處理，本模塊通過單片機的標準接口將結(jié)果 數(shù)據(jù)輸出到上位機。 關(guān)鍵技術(shù)選擇2.2 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。 檢測控制模塊2.2.1 本系統(tǒng)主要采集氣體壓力，壓力傳感器主要針對氣體介質(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進口的高精度壓力傳感器

26、，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。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。 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。在嵌入式系統(tǒng)低端的單片機領(lǐng)域和當今的工業(yè)線程應(yīng)用中，位機仍然是主流機型。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。并具有全雙工串行口線，可以方便的與外界進行通訊，滿足本系統(tǒng)的各種性能指標要 求。 人機界面的選擇2.2.2 人機界面

27、主要包括鍵盤與顯示模塊。 為便于操作人員對該儀器操作，系統(tǒng)設(shè)計了鍵盤輸入模塊。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。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)的字符點陣型液晶來做系統(tǒng)的顯示模塊。該模塊有內(nèi)部的驅(qū)動芯片，提供了與單片機的標準連接電路，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。由于具有與、系列相適配的接口，并有專用的指令集，可以實現(xiàn)畫面卷動、光標、閃爍、位操作等，足以滿足本系統(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)

28、，并可外接字符發(fā)生器，可同時顯示行漢字字符， 是該系統(tǒng)的理想顯示模塊。 串口通訊模塊的選擇2.2.3 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準串行接口。所以只需外擴一個驅(qū)動芯片如MAX232就可以實現(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言。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。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。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)

29、控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。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。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。若采用MODBUS標準協(xié)議必將引起資源的浪費，降低通訊效率。所以本系的通訊模塊借鑒了MODBUS協(xié)議標準中的CRC檢驗碼的生成過程設(shè)計了一種自定義的通訊協(xié)議。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2.3 系統(tǒng)總體工作模型2.3.1 傳統(tǒng)的直壓法測漏儀一般不檢測溫度信號，利用的是

30、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)。另外傳統(tǒng)的直壓法測漏儀將壓力變送器選擇在被測件與自檢閥之間，控制器一般選擇微機。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準的接口。大大的減小了系統(tǒng)的體積，使儀器使用起 來方便靈活。 溫度變送 單變壓力 送器自充氣 被測件檢氣 過濾器 減壓閥 源 閥閥 泄露模擬 排氣閥 接口 系統(tǒng)總體工作模式型示意圖圖2-3 所示為基于直接壓力法的氣體測漏系統(tǒng)的總

31、體工作模型示意圖。現(xiàn)將系統(tǒng)的總2-3 圖 體工作情況描述如下：）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（1 一個相對穩(wěn)定的壓力輸出。此壓力輸出根據(jù)不同的檢測對象而不同。）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2（輸出壓力的設(shè)定和不同被測件的參數(shù)不同。進入測試菜單以后，當接受到啟動檢測的信號時就打開充氣閥和自檢閥對工件進行充氣，充氣時間結(jié)束系統(tǒng)進入平衡等待時間，平衡階段結(jié)束系統(tǒng)開始采集壓力傳感器和溫度傳感器的信號進行檢測，系統(tǒng)進入檢測階段，檢測階段結(jié)束后系統(tǒng)將檢測的結(jié)果顯示到液晶上并保留結(jié)果數(shù)據(jù)，同時打開排氣閥將檢測氣體排出

32、。一次完整的檢測過程就結(jié)束，系統(tǒng)準備下一次檢測。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。當檢測了一定數(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)提供了標準的通訊接口。 系統(tǒng)的總體框圖2.3.2 泄漏壓力溫度變送壓力變送A/DA/D AT89S52 通信模塊 液晶顯示 鍵盤輸入 系統(tǒng)總框圖圖2-4 給出的只是系統(tǒng)的一個工作模型，圖描述的是系統(tǒng)的實際原理框圖。對單片機圖2-4 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。 本章小結(jié)2.4 本章介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計思想。對直壓法和差壓法進行分析差壓法測量精度

33、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。本文在直接壓力法的基礎(chǔ)上結(jié)合了單片機控制技術(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 機界面和串口通訊等關(guān)鍵技術(shù)的選取原則。 系統(tǒng)的硬件電路3 壓力信號采集電路的設(shè)計3.1 壓力變送器的選擇3.1.1 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。要求對系統(tǒng)的微小壓力變化就能檢測出來。壓力變送器的精度直接影響系統(tǒng)的精度，要滿足0.1%的壓力差檢測精度，壓力傳感器的精 的

34、系統(tǒng)量程范圍。2/20mA度必須更高。而且壓力量程必須滿足 本系統(tǒng)采用的是德國原裝高精度壓力變送器DMP33LI。其壓力精度滿足0.05%FOC滿量程調(diào)節(jié)，對外提供標準G1/2或G1/4壓力接口，壓力量程為2/20mA，輸出信號為標準兩線制。供電電源為VDC1236V，典型應(yīng)用領(lǐng)域為氣體控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。滿足了系統(tǒng) 的量程范圍與精度要求。 ADS1110轉(zhuǎn)換器3.1.2 A/D 總體介紹ADS1110A/D轉(zhuǎn)換器（1） A/D轉(zhuǎn)換器ADS1110是精密的連續(xù)自校準A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，可每秒采樣8、12或128次以進行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器PGA。提供高達

35、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。在單周期轉(zhuǎn)換方式中，在一 次轉(zhuǎn)換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。 最小碼和最大碼表3-1 位數(shù)采樣速率（sps） 168 15 14KEY2Y2KEY2KEY2KES16S12S8KEY2KEY2KEY2 16 32最大最小3276-32761638-1686819-8192使用需要熟悉輸出碼的計算方式。輸出碼是一個標量值除電路削波以外，它與兩個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。 （V）（-V）in?in?PGA最小碼

36、-輸出碼?（1）?對 (3-1) VDD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-的正負輸入電壓以及VDD而 位。16，輸出碼位數(shù)為8言，輸出碼由以下表達式計算出。本課題選用采樣速率 使用ADS1110）A/D轉(zhuǎn)換器（2 接口I2C 通過一個內(nèi)部集成電路I2C接口通信。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。總線上的通信通常發(fā)生在兩個器件之間，其中一個作為主機，另一個從機。主機和從機都能讀和寫，但從機只能依主機的方向工作。一些器件既可作為 主機又可作為從機，但只能作為從機。 一條I2C總線由兩條線路組成:SDA數(shù)據(jù)線和SCL時鐘線。SDA傳送數(shù)據(jù)，SCL

37、 是時鐘。所有數(shù)據(jù)以8位為一組，通過總線傳送。為了在總線上傳送位數(shù)據(jù)，須在為SCL低電平時，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”。一旦線穩(wěn)定下 來，線被高，然后變低。線上的脈沖以時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，線可用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當主機從從機中讀取數(shù)據(jù)時，從機驅(qū)動數(shù)據(jù)線當主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機驅(qū)動數(shù)據(jù)線主機總是驅(qū)動時鐘線。絕不會驅(qū)動，因為它不能用作主機，在中只是一個輸入端。多數(shù)時候總線是空閑的，不發(fā)生通信，而且兩條線均為高電平。在產(chǎn)生通信時，總線被激活，只有主機才能開始一次通信。為了開始通信，主機在總線上形成一個開始條件，通

38、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)。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。始條件是當時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線從高到低的跳變停止條件則是當 時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線從低到高的跳變。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)。I2C總線上的每個器件都有一個獨特的7位地址以做出響應(yīng)。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。對于在I2C總線上發(fā)送的每個字節(jié)，無論是地址還是數(shù)據(jù)，均以一個應(yīng)答位作為響應(yīng)。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

39、從機對該字節(jié)的應(yīng)答。從機將SDA線拉低以對該字節(jié)進行應(yīng)答，然后主機發(fā)送一個時鐘脈沖以對該應(yīng)答位定時。類似地當主機完成對一個字節(jié)的讀取時，則將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。在一個應(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。在主機完成與從機的通信后，它會發(fā)出一個停止條件。在發(fā)出停止條件后，總線再次空閑。主機也可發(fā)出另一個開始條件，在總線處于激活狀態(tài)時，若發(fā)出一個開始條件則要 求一個重復(fù)的開始條件。 地址I2CADS1110的ADS1110的I2C地址是1

40、001aaa，其中aaa是出廠時的默認設(shè)置。ADS1110有8種不同的類型，每種類型都有一個不同的I2C地址。例如，ADS1110A0的地址為1001000，而 1001011.ADS1110A3的地址則為 的讀操作對ADS1110用戶可從ADS1110中讀出輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容，為做到這一點，要對ADS1110尋址，并從器件中讀出三個字節(jié)。前面的兩個字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容，并不總是需要從ADS1110中讀取三個字節(jié)，如果只需要 輸出寄存器的內(nèi)容則只需讀兩個字節(jié)。從ADS1110中讀取多于三個字節(jié)的值是無效的，從第四 。FFH個字節(jié)開始的所有字節(jié)將為 的寫

41、操作ADS1110 對用戶可寫新的內(nèi)容至配置寄存器，但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容。為了做到這一點，要對ADS1110尋址以進行寫操作，并對ADS1110寫入一個字節(jié)。這個字節(jié)被寫入配置寄存器中，對ADS1110寫入多個字節(jié)到ADS1110無效，ADS1110將忽略第一個字節(jié)以后的 任何輸入字節(jié)，并且它只對第一個字節(jié)做出應(yīng)答。 與單片機的硬件連接3.1.3 ADS1110 與單片機連接電路圖3-1 圖 圖3-1與單片機連接電路圖所示為與單片機連接電路。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：作為時鐘引腳，由P1.1作為數(shù)據(jù)腳，它的作用是由主機和從機來驅(qū)動它以傳送數(shù)據(jù)。P1.0 主機來驅(qū)動它，以產(chǎn)生傳送數(shù)據(jù)所需要的時鐘信號，時鐘信號通過對單片機編程產(chǎn)生。 數(shù)據(jù)線和時鐘線都需要上拉電阻，因為總線驅(qū)動器是漏極開路驅(qū)動器，這些電阻的大小取決于總線的工作速度和總線電容阻值。較高