机电一体化毕业设计论文-单片机气体测漏仪的设计

机电一体化毕业设计论文-单片机气体测漏仪的设计内容摘要：

引起的温度变化。 在被测工件中流通的气体为压缩气体，通过电磁阀时会膨胀，冷却，然后再次被压缩，升温。 由于温度的变化，也会导致压力的变化在平衡阶段，电磁阀关闭，电磁阀打开。 平衡阶段结束时，检测系统内的压力被保存，作为压力的参考值。 系统进入测量阶段，如果有气体从被测工件中泄漏出去，必将引起压力下降。 在测量阶段，系统通过一段时间的压力降就可以判断工件的泄漏 7 7 程度，这个过程可以以数字的形式显示出来。 当测量阶段结束后将被测件内的 气体放掉，这阶段为放气阶段。 当放气阶段结束后，就完成了一个检测过程。 图 21 直压式气体测漏原理图 本课题的主要工作 本课题将单片机控制应用到传统的直接压力式气体测漏仪中，加入了液晶显示和键盘输入等模块，提高了检测过程的自动化水平，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，并且方便数据的存储和分析，本科题要实现的功能如下用一种简单高效的方法来检测被测工件的气体泄漏特性高精度压力检测，可以最小检测的压力变化，检测量程为 020BAR，压力差检测 精度为 %将每次检测结果显示并保存，通过通讯接口送上位机以便日后统计，分析零点漂移的克服。 系统功能块的划分 对以上功能进行分析，可以将系统分成以下三个功能块： （ 1）检测控制模块 该部分为整个系统的控制核心，其主要功能是通过单片机来控制各个阀门的开关进而完成直接压力测漏，同时利用传感器将系统各个阶段的压力信号和温度信号转变成电压信号，再由单片机通过 A/D 接口来进行检测，送单片机进一步判断其泄漏量，进而完成一次完整的检测。 （ 2）人机界面选择模块 传统的检测手段都是由人来做判断，容易产 生误判。 该系统加入液晶显示和键盘输模块，使得输入和输出变得直观且操作简单。 （ 3）串口及上位机通讯模块 由于每次测量系统都记录了大量的数据，如压力值，检测结果等，这些数据都需要通过通讯接口送入上位机保存以方便日后的分析处理，本模块通过单片机减压阀 电磁阀 1 电磁阀 2 被测件 压力传感器 8 8 的标准接口将结果数据输出到上位机。 关键技术选择 以上介绍了本课题所要实现的系统功能，并将其分成了三个功能模块，要更好的实现这三个功能模块的功能，需要对实现这些功能的技术进行必要的了解和谨慎的选择，以下是对这三个功能块的关键技术进行介绍和选择。 检 测控制模块 本系统主要采集气体压力，压力传感器主要针对气体介质，因此，为了提高系统的精度应尽量选取高精度的压力传感器。 传感器的精度直接影响系统的总体精度，本系统选取的压力传感器为德国进口的高精度压力传感器，其普遍应用于工业的各个领域中，把气体，液体压力转换成正比高线性电信号输出。 压力变送器可以用来测量静压和动压，可以测量任何可与不锈钢，或兼容的液体气体介质，按不同的要求可以选择不同的密封材料，压力量程为一精度满足全量程调节，是本系统的理想传感器。 在满足系统要求的前提下，元器件的选取应尽量满足高性价比、 高可靠性且通用等原则。 在嵌入式系统低端的单片机领域和当今的工业线程应用中，位机仍然是主流机型。 本课题选用了在单片机中最早实现技术的公司的，其为、字节的，足以存储大量的汉字字符码。 并具有全双工串行口线，可以方便的与外界进行通讯，满足本系统的各种性能指标要求。 人机界面的选择 人机界面主要包括键盘与显示模块。 为便于操作人员对该仪器操作，系统设计了键盘输入模块。 由于按键的数目较多，系统设计成行列式键盘，键值以扫描方式输入单片机，并采用可编程芯片来扩展系统的输入输出口线，这样有效解决了单片机输出口 线的不足。 由于所要显示的汉字较多，且为了便于操作人员观察，本系统采用大连东显公司生产的字符点阵型液晶来做系统的显示模块。 该模块有内部的驱动芯片，提供了与单片机的标准连接电路，使得控制液晶的显示就如同控制外部存储器的读写一样简便。 由于具有与、系列相适配的接口，并有专用的指令集，可以实现画面卷动、光标、 9 9 闪烁、位操作等，足以满足本系统文本显示或图形显示的功能，此外，该液晶可管理的显示缓冲区，并可外接字符发生器，可同时显示行汉字字符，是该系统的理想显示模块。 串口通讯模块的选择 因为需要同上位机进行通 信，将侧漏仪采集的数据输出，所以本系统必须提供一个可以上位机进行实时通信的接口，由于系列单片机本身就提供了标准串行接口。 所以只需外扩一个驱动芯片如 MAX232 就可以实现串行通讯的功能。 但是为了保证数据的可靠传输必须选择一种可行的通讯协议。 支持串行通讯的工业协议主要是协议，协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。 通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络例如以太网和其它设备之间可以通信。 它已经成为一通用工业标准。 有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用 的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。 它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。 它制定了消息域格局和内容的公共格式。 但是本文的通讯主要针对于单片机与上位机之间的通讯，并不是整个网络之间的通讯。 若采用 MODBUS 标准协议必将引起资源的浪费，降低通讯效率。 所以本系的通讯模块借鉴了 MODBUS 协议标准中的 CRC 检验码的生成过程设计了一种自定义的通讯协议。 自定义协议提高了系统的通信效率又能保证系统的正确传输。 系统总体结构设计 系统总体工 作模型 传统的直压法测漏仪一般不检测温度信号，利用的是平衡阶段温度信号和压力信号基本平衡，这就大大地限制了系统的精度，本系统将温度信号也采集到了系统中，不但提高了系统的精度，同时也为实现快速测量提供了有效的依据。 另外传统的直压法测漏仪将压力变送器选择在被测件与自检阀之间，控制器一般选择微机。 这就大大限制了仪器的体积和灵活性。 本系统采用单片机作为控制器，液晶显示，并将压力变送器的位置择在充气阀和自检阀之间，对外只提供了两个标准的接口。 大大的减小了系统的体积，使仪器使用起来方便灵活。 10 10 图 23 系统总体工作模式型示意图 图 23所示为基于直接压力法的气体测漏系统的总体工作模型示意图。 现将系统的总体工作情况描述如下： （ 1）首先打开气源，气体经过过滤器以后变成了纯净的气体，再经过减压阀以后就等到了一个相对稳定的压力输出。 此压力输出根据不同的检测对象而不同。 （ 2）单片机上电以后首先选择不同的测试程序进行测试，测试程序的选择主要依据减压阀输出压力的设定和不同被测件的参数不同。 进入测试菜单以后，当接受到启动检测的信号时就打开充气阀和自检阀对工件进行充气，充气时 间结束系统进入平衡等待时间，平衡阶段结束系统开始采集压力传感器和温度传感器的信号进行检测，系统进入检测阶段，检测阶段结束后系统将检测的结果显示到液晶上并保留结果数据，同时打开排气阀将检测气体排出。 一次完整的检测过程就结束，系统准备下一次检测。 系统的充气时间，平衡时间和测量时间均由测试程序设定。 当检测了一定数量的工件后就可以选择将一段时间的检测结果输出送给上位机，系统提供了标准的通讯接口。 系统的总体框图 泄露模拟接口 显 示 单 片 机 温度变送器 压力变送器 自检阀 充气阀 过滤器 排气阀 被测件 气源 减压阀 11 11 图 24 系统总框图 图 24给出 的只是系统的一个工作模型，图描述的是系统的实际原理框图。 对单片机而言，系统要求检测两路模拟量的输入，同时输出两路开关量，并提供了键盘输入接口，液晶显示输出接口和通信接口。 本章小结 本章介绍了本系统的设计思想。 对直压法和差压法进行分析差压法测量精度高但差压法测量结构复杂、差压传感器成本高直压法测量结构简单，但是测量过程容易受到外界的干扰而影响系统的精度。 本文在直接压力法的基础上结合了单片机控制技术大连理仁大学硕士学位论文提出了系统的总体工作模型和总体框图，并根据原理框图分析了传感器、人机界面和串口 通讯等关键技术的选取原则。 AT89S52 单 片 机 键盘输入 压力表 泄漏阀 温度变送器 通信模块 充气阀 自检阀 被测工件 A/D 液晶显示 模拟调压器 压力变送器 压缩气源 A/D 12 12 3 系统的硬件电路 压力信号采集电路的设计 压力变送器的选择 压力信号的采集是整个系统的核心，压力变送器的精度是影响系统精度的主要因素所以应选择压力变送器的主要依据就是高精度。 要求对系统的微小压力变化就能检测出来。 压力变送器的精度直接影响系统的精度，要满足 %的压力 13 13 差检测精度，压力传感器的精度必须更高。 而且压力量程必须满足 2/20mA 的系统量程范围。 本系统采用的是德国原装高精度压力变送器 DMP33LI。 其压力精度满 足%FOC满量程调节，对外提供标准 G1/2或 G1/4压力接口，压力量程为 2/20mA，输出信号为标准两线制。 供电电源为 VDC12~36V，典型应用领域为气体控制系统，过程控制系统。 满足了系统的量程范围与精度要求。 A/D 转换器 ADS1110 （ 1） A/D 转换器 ADS1110 总体介绍 A/D 转换器 ADS1110 是精密的连续自校准 A/D转换器，带有差分输入和高达16 位的分辨率，可每秒采样 12 或 128 次以进行转换。 片内可编程的增益放大器 PGA。 提供高达 8 倍的增益，允许对更小的信号进行测量 ，并且具有高分辨率。 在单周期转换方式中，在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。 表 31 最小码和最大码 采样速率（ sps） 位数 最小值 最大值 8 16 32768 32767 16 15 16864 16383 32 14 8192 8191 使用需要熟悉输出码的计算方式。 输出码是一个标量值除电路削波以外，它与两个模拟输入端的压差成比例。 输出码限定在一定数目范围内，该范围取决于代表输出码所需要的位数，而的代表输出码所需要的位数又取决于数据速率，如表所示。 DDinin V VVP G A1 ）（）（最小码）（输出码  (31)对最小码的最小输出码、可编程增益放大器的增益设置、 V+与 V的正负输入电压以及 VDD 而言，输出码由以下表达式计算出。 本课题选用采样速率 8，输 14 14 出码位数为 16 位。 （ 2） A/D 转换器 ADS1110 使用 ① I2C接口 通过一个内部集成电路 I2C 接口通信。 接口是一个线漏极开路输出接口，支持多个器件和主机共用一条总线到。 总线上的通信通常发生在两个器 件之间，其中一个作为主机，另一个从机。 主机和从机都能读和写，但从机只能依主机的方向工作。 一些器件既可作为主机又可作为从机，但只能作为从机。 一条 I2C 总线由两条线路组成 :SDA 数据线和 SCL 时钟线。 SDA 传送数据， SCL 是时钟。 所有数据以 8 位为一组，通过总线传送。 为了在总线上传送位数据，须在为 SCL 低电平时，驱动线至该位的电平为低则表明该位为 “0”，为高则表明该位为 “1”。 一旦线稳定下来，线被高，然后变低。 线上的脉冲以时钟将位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。 I2C 总线是双向的，线可用来发送 和接收数据。 当主机从从机中读取数据时，从机驱动数据线当主机向从机发送数据时，主机驱动数据线主机总是驱动时钟线。 绝不会驱动，因为它不能用作主机，在中只是一个输入端。 多数时候总线是空闲的，不发生通信，而且两条线均为高电平。 在产生通信时，总线被激活，只有主机才能开始一次通信。 为了开始通信，主机在总线上形成一个开始条件，通常只有在时钟线为低电平时，数据线才允许改变状态。 如果在钟线为高电平时，数据线改变了状态，则形成一个开始条件，或相反地形成一个停止条件。 始条件是当时钟线为高电平时，数据线从高到低的跳变停止条件则是当 时钟线为高电平时，数据线从低到高的跳变。 在主机发送开始条件以后，它还会发送一个字节，表明它想与哪一个从机通信，该字节称作地址字节。 I2C 总线上的每个器件都有一个独特的 7 位地址以做出响应。 主机以地址字节发送一个地址，并且还发出一位以表明是对从机读出还是写入。 对于在 I2C总线上发送的每个字节，无论是地址还是数据，均以一个应答位作为响应。 在主机发送完一个字节即 8位数据到从机后，它停止驱动 SDA线，并等待从机对该字节的应答。 从机将 SDA 线拉低以对该字节进行应答，然后主机发送一个时钟脉冲以对该应答位定时。 类似地当 主机完成对一个字节的读取时，则 15 15 将 SDA 线拉低以对从机做出应答，然后发送一个时钟脉冲对该位定时。 在一个应答周期期间，不作应答，只是保持 SDA 线为高电平。 如果器件不在总线上，并且如果主机试图对其。