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2.2.1系统工作的理论4
2.2.2传感器模块5
2.2.3数据采集模块6
2.2.4数据处理模块7
2.2.5数据显示模块8
2.2.6报警模块8
3阶段成果8
4进度分析10
5过程中的问题及解决方法10
参考文献11
1设计任务
气密性检测也称为泄漏检测,主要用于对密闭容器或阀门等部件进行气密性检测。
在一些气密性有要求的产品中,气密性是决定产品质量的一个很重要的因素。
气密性检测的目的在于:
(1)气密性检测的目的就是在生产过程中尽早对工件能否保证在以后的使用条件下不漏做出判断.避免对泄漏的工件作进一步加工和装配.这叫“废品剔除“。
在自动气密性检测中.即使要求工件必须是液密的.也用空气或其他专用测试气体作为检测介质。
这是因为气体的粘度低于液体.用气体作为检测介质可获得很高的测试精度。
(2)密封和泄漏的概念密封是一个相对的概念.没有绝对密封不漏的工件。
工件在不同的应用条件下.对密封程度有不同的要求,因此,必须首先根据不同工件的实际工作情况确定进行气密性检测的方法.检测压力以及工件允许的泄漏率。
目前国际上多采用差压法对精度要求高的密封件进行气密性检测,国内已有中科院合肥智能机械研究所等少数单位推出智能测漏仪;
国外也只有美国、法国、日本、德国等少数发达国家才有相关的仪器,但价格十分昂贵。
对客车车舱的气密性检测也越来越的关系的客车的舒适度,这会直接影响客车的销量,以及客车出厂后的安全稳定性,这关系到乘客的健康和安全。
现有的检测技术需要的时间长,效率较低,因此研究一种直压试的气密性检测仪是很实际的一种需求,它可以直观、有效地提高车体气密性检测的速率,也就提高了生产速度。
现有的检漏仪器广泛采用差压法检测容器气密性,虽然其精确度比较高,但是测量时要求测试件的容积和结构必须和标准件相同,所以其体积大,不便于随身携带,对于作为计量标准的检漏仪带来极大的不便,这样大大放慢了检测的效率,不利于工业生产,而且标准件有时也可能不可靠;
而直压式检漏法具有原理简单、成本较低、测试等待周期短,便于设计出用于测试各种气体表以及检漏泄漏校准仪器的一种标准化、智能化程度高的、体积小、便携式的计量仪系统,广受大众工业者的接受。
该课题是设计一检测仪,能检测相应的气压变化。
要求:
选择合适的传感器,设计信号调理电路;
完成单片机及外围电路设计;
用单片机对气压信号进行采集,并进行数据处理,通过LCD进行显示。
设置报警信号。
要求完成电路的仿真调试。
测压范围:
0.1--1MPa工作温度:
0℃-70℃
2系统总体方案论述
2.1系统整体结构
系统总体框图结构如下
图1硬件电路结构框图
使用一个直压传感器来检测压力变化,温度传感器来测温,经过信号调理电路之后,将采集到的信号送入单片机进行ad模数转换,并且由单片机进行运算,判断压力变化值是否否和预设数值范围,如果符合,则输出LCD显示并且上面做出汉字说明,如果所测数值超过了预设范围,则发出报警信号,并显示其测得量的变化率。
软件设计系统框图如下:
图2软件设计图
本次设计采用的是ATMEL公司生产的AT89S52型单片机,片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间,支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。
同时,该单片机支持计算机并口下载,简单的数字芯片就可以制成下载线,本次设计根据最小系统的具体情况,使用双列直插DIP-40的封装。
图3:
AT89S52单片机
在该次的使用中主要用到了P0作为LCD1602数据显示端口,P1作为ADC0809数据采集端口,P2^^7作为DS18B20采集数据输入口,P2^5作为报警模块输出控制口。
2.2系统工作原理
2.2.1系统工作的理论
直压式气体检测过程可以分为5个阶段:
封堵夹紧—充气—稳定—检测—排气。
直压法测试气压主要是测量一个工件的泄漏率是否符合工程参数范围,而泄漏率计算方法为:
(2-1)
P1P2为被测工件测试前后的压力。
假设在等温状态、工件无变形情况下,方程可写为:
(2-2)
如果工件有泄漏,则有:
=
(2-3)
将∆P=P1-P2
代入式(2-3),则:
(2-4)
在小泄漏情况下,且测量时间比较短,我们可以近似得到:
(2-5)
将(2-5)带入(2-4)得到差压与泄漏率的关系
(2-6)
式中:
Vt为标准大气压下的泄漏率(std.cm3/min),
VT为被测工件系统的容积,
T为测试时间(s)。
图4:
工件测压示意图
2.2.2传感器模块
温度传感器采用的是数字式DS18B20传感器,它具有感应灵敏,成本低,精度高等特点,在这次设计中也起到很明显的消除误差的作用。
DS18B20测量范围从-55°
C到+125°
C,增量值为0.5°
C,可在1s内把温度转换为数字,工作电源为3-5V/DC(可以数据线寄生电源),在使用中不需要任何外围元件,测量结果以9~12位数字量方式串行传送,适用于汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
图5:
DS18B20管脚图
如上图。
左负右正,一旦接反就会立刻发热,有可能烧毁!
接反是导致该传感器总是显示85℃的原因。
面对着扁平的那一面,左负右正。
气压传感器采用的是无锡迈姆斯科技有限公司的MPS20N1000D-S型绝对压力传感器。
图6:
MPS20N1000D-S型绝对压力传感器
其特点如下:
尺寸小
工作温度:
-40°
C~125°
C
量程:
0~1000KPa
线性度:
0.3%
成本低,可靠性高
其主要适用范围是:
医疗领域、胎压计、车载气泵、汽车传感器、空气制动开关、便携式压力计等。
压力传感器的各个参数测量结果为mv输出信号4-120mv,其对应的压强为0-1000kpa
此处,由于本次设计采用的是ADC0809,而ADC0809输入信号范围为0-5v,传感器输出信号太小,所以要将输出信号扩大五十倍,变为0.2-6v。
处于密闭容器的气体,当温度升高时,其内部的压力随之升高,因而泄漏测试时,温度的变化不可避免地影响压力变化。
这种影响的范围大致在温度每变化1℃时,引起的压力变化为0.36%的测量压力值,随测试压力的提高,温度的影响会变得明显。
在通常的测量条件下,由于测试时间较短,温度的影响不会十分显著,但若温度的影响不容忽略,则应采取相应措施。
在其它的条件难以改变时,可考虑采用如下方法:
(1)降低测试压力或者采用真空法测试,以降低温度的影响;
(2)采用带温度补偿功能的仪器,即对高温工件进行大量检测,记录△P、△t值,作出△P-△t曲线,根据曲线作出△Pleak(不合格限度)-△t曲线,再将数值输入温度补偿程序。
为使温度补偿准确可靠,这些工作必须在现场生产条件下进行。
由温度引起的压差变化关系式:
∆P=
P0为初始平衡压力
∆P为测试终止时与初始状态下的压差
T0为初始温度
图7:
温度与压力的变化曲线关系图
2.2.3数据采集模块
本次毕业设计,选用了典型的ADC0809数据模数转换芯片,它是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。
其主要特性如下
1)8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW
在AD采集过程中,由于传感器的一些条件限制,只得先用模拟电压信号来代替。
由于只用到一路信号,也可将A.B.C三个位选控制端直接接地,省去单片机端口的占用。
图8:
气压数据采集模块电路图
由于DS18B20为数字型温度传感器,其输出信号为数字信号,不需要在进行模数转换,可以直接输入到单片机使用。
图9:
温度数据采集模块电路图
2.2.4数据处理模块
数据处理,即是将ADC0809转换出来的数字信号,在单片机内部进行编程,根据算法比较,对采集的数据进行判断,是否符合测量范围,如果符合测量范围,则显示出相应的结果,如果不在合格的范围之内,则要出现报警信号,作为提醒。
部分数据处理程序如下图
程序中,g为一个测量范围设定值,b1为测量值,若果测量值b1<
g,则测得的值不合格,出现报警信号,反之,正常显示。
数据处理模块要判断所测气压变化量是否在所测范围内,即变化量∆P<
600kpa时,系统发出报警信号。
系统设置为5分钟采集一次信号并进行处理判断和显示。
2.2.5参数显示模块
该模块,在本设计中,由于所测数据量较少,根据经济、实用、简单的角度,所以采用的是LCD1602显示屏。
其主要电路图结构如下:
图10:
数据显示模块
LCD1602具有两行十六列的数字显示模块,根据毕业设计设计数据要求,各个模块显示排布如上图,第一行一到七列用来显示温度数值,以此来判断温度对气压值的影响;
第一行八到十六列显示的是实时气压与标准气压的差值;
第二行显示的是采集到的实时气压值。
2.2.6报警模块
该模块相对整个模块来说,比较简单,在此我接了一个蜂鸣器,为了给与视觉的明显效果,将蜂鸣器两端并联了一个红色发光二极管,以实现同步声光报警。
3阶段成果
经过一段时间的不断努力,该课题的多半工作已接近完成。
1-2周时间内进行资料查询,选择单片机型号,显示屏,AD转换芯片等相关资料
3-4周时间内完成了硬件电路的protueslcd1602显示仿真实验,并实现了模拟的效果。
5-6周开始做传感器DS18B20的数据显示,模拟电压信号的AD采集与显示,以及报警信号的设置。
图11:
硬件protues仿真效果图
7-8周开始做硬件电路的焊接,进行调试,基本实现了与protues相同的效果。
硬件电路效果图如下:
图:
12:
硬件电路图
第9周测量气压传感器的输出电压范围,以及所对应的气压范围,由于该传感器输出的是mv信号,需要进行放大处理,所以要知道输出信号的范围,这一点,由于缺少充气装备,还在解决中。
4进度分析
根据现在的进展情况,毕业设计任务书任务要求基本已经实现,单片机对信号的采集,处理,显示,信号报警等已经基本实现任务要求,现在对于气压传感器还有点麻烦,我想在经过一段时间努力,希望会有好的结果。
5过程中的问题及解决方法
在课题的任务实现的过程中,也遇到一些问题。
例如刚开始的时候,LCD1602总是不能显示,后来经过上网查资料,发现是程序中的一些初始化程序有问题;
还有就是在AD转换过程中,有时候会出现乱码,甚至不出现在数字,经过认真查证,已经程序的分析对比,发现ADC0809的时钟信号管教没有接;
在设置报警信号和显示差压模块时,由于对AD转换知识的不清晰,总是不知道怎么在LCD上显示差值,经过反复的思考和请教同学,才知道,AD八位二进制数,经过AD转换后出来的是0-255之间的一个值,即代表的是将5v电压分成255份,输出的数字量为份数,最后终于解决了这个问题。
在硬件焊接部分,硬件电路与仿真没有差别,就是查不出来为什么,经过请教同学,才发现,自己的单片机最小系统复位接口上的电容值太小,实际要求10-22uF,而我用的只有1uF,太小了。
参考文献
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