基于单片机的气密性检测仪设计毕业论文

中原工学院毕业设计论文 毕业设计（论文） 题目名称：基于单片机的气密性检测仪设计 学院名称：班 级：学 号：学生姓名： 指导教师：年 月论文编号：200900454113 基于单片机的气密性检测仪设计The Design of Air Tightness Detector Based on Single-chip Computer 学院名称：电子信息学院班 级：测控 091班学 号：200900454113学生姓名： 指导教师： 2013年 06月 摘 要 随着科学技术的日新月异的发展，社会各领域的数据分析检测也越来越需要更加准确清晰的显示处理，这也符合社会发展的主要趋势，逐渐走向高智能化的社会层面，更加人性化。因此，各种仪器仪表系统的研究发展也越来越的显示出其重要社会作用，其中，气密性检测就是其中很重要的一个研究方向，尤其是在客车或者与容器相关的机械仪表中作用甚大。本文介绍了直压式气密性检测仪的基本框架和总体设计思想。在此基础上，提出了基于AT89S52单片机的气密性检测仪系统设计方案。本文重点讲解了该气密性检测仪的详细原理以及设计方案，包括数据定时采集、数据处理、数据显示、气密性检测结果显示、检测结果报警判断模块，并给出了具体的设计方法和实验结果。论文最后对该气密性检测仪设计过程中遇到的问题进行了分析解决，达到了预先的设计要求。关键词：protues 仿真，AT89S52，气压传感器，气密性检测I AbstractWith the rapid development of science and technology，social fields data analysis testing is becoming more and more needs to be more accurate and clear display，it also accords with the main trend of social development，gradually to move towards the high intelligence society, more humanistic。Therefore，research and development of various kinds of instrumentation systems is becoming more and more shows its important social function，among them, the gas tightness detection is one of important research direction, especially in the bus，the container related has been a great role in mechanical instrument. In this paper direct pressure tightness detector and the basic framework or the overall design ideas were introduced。Based on this, puts forward the air tightness detector system based on AT89S52 single chip design scheme。This paper focuses on the detailed principle of the air tightness detector and the design scheme, including the timing of data acquisition, data processing, data display, air tightness test results display and alarm of test result judgment module, and gives the specific design method and experimental results。These finally the air tightness detector design process were analyzed to solve the problem of, has reached the design requirements in advance. Keywords：The protues simulation，AT89S52，Air pressure sensor ,Air tightness detectorII 目 录1 绪论1 1.1 气密性检测仪的研究背景1 1.2 气密性检测仪的发展现状12 系统整体方案选定3 2.1 设计任务3 2.2 气密性检测的工作原理3 2.3 气密性检测的方案比较4 2.4 气密性检测的方案选择53 系统硬件设计63.1 系统硬件总体构成63.2 AT89S52单片机系统的概述63.3 气压传感器模块73.4 温度传感器模块93.5 AD数据采集模块12 3.5.1 气压数据采集12 3.5.2 温度数据采集133.6 单片机数据处理模块143.7 LCD1602数据显示模块153.8 系统报警模块164 系统软件设计204.1 系统软件编程应用204.2 系统软件编程整体流程图225 系统调试及误差分析255.1 系统调试255.2 误差分析266 问题及解决方法27结论28参考文献29致谢30附录A31附录B32 III 1 绪论1.1 气密性检测仪的研究背景 气密性检测技术在工业生产中有着重要的作用，为保证产品质量，保障生产、生活的安全，具有密闭容器性质的产品在出厂前都要进行密封性能检测。因为常采用充气的方法进行检测，也称为气密性检测。 常用的气密性检测方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法、压力变化法、流量法、超声波法等 。根据工件的类型和密封性能要求，可以选择不同的检测方法。传统的气密性检测方法多采用气泡法和涂抹法。 随着工业自动化和检测技术的发展，传统的气密性检测手段，如浸水法和涂抹法逐渐被淘汰，开始利用气体的物理特性或化学特性变化来检测是否有泄漏产生，例如氦质谱仪、超声波检测仪、卤素检测仪、激光检测仪等 。但上述方法大多局限于定性检测，检测效率不高，另外测试仪器也比较昂贵。随着科技的发展，市场竞争的Et益激烈，厂家需要更加高效、简便、智能的气密性检测设备。客车研究究的重要方向之一是提高乘用车舒适性，降低噪声，这与车厢的密封性密切相关。车厢密封性能产生的直接影响：1）外部灰尘和湿气的渗入量；2）有害气体的含量；3）降音隔噪效果；4）空调效果。同时密封性指标太差，将导致系统负荷加重，燃油经济性能变差，忽冷忽热的环境对乘客的舒适性也有一定的影响。因此车厢的密封性能是车厢性能的重要参数之一，也是产品开发中要考虑的因素。 另外，发动机气缸密封性的好坏，决定着发动机的使用寿命，一旦气缸出现漏气，发动机的动力性和经济性将大大降低，排放性能也会变差。本文将对气缸密封性参数的检测方法进行讨论，并在此基础上介绍一种发动机气缸活塞组的不解体简易检测与诊断方法。 气缸密封性与发动机气缸活塞组的技术状况直接相关，因而气缸密封性的检测参数可以作为气缸活塞组技术状况的评价指标。这里所指的气缸活塞组包括气缸、气缸盖、气缸卒,汽缸衬垫垫、活塞、活塞环和进、排气门等构成燃烧室的零部件。在发动机使用过程中，由于上述零部件的磨损、烧蚀、结焦、积碳等原因，气缸活塞组的技术状况会变坏，从而引起气缸密封不良，以致发动机的动力性和经济性下降。 1.2 气密性检测仪的发展现状 目前比较流行的气密性检测方法是利用气体流量公式进行检测，首先测量与泄漏量相关的一些参数，例如压力、压差、弹性波等，然后将这些相关量通过定关系式转化为相应的泄漏量。这种检测方法受主观因素影响小，检测精度高，并且易于实现自动控制、自动报警，大大提高了检测效率。基于此方法，国内外众多厂家都开发出了气密性检测仪，比较著名的有法国ATEQ公司、美国的USON公司、日本的COSMOS公司等。ATEQ公司为世界制造气密性测试仪器的先驱，其产品应用涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域 一种新的发展趋势是把气密性检测技术和水检方法结合在一起，形成一套多功能的检测设备。利用该设备首先对工件进行气密性检测，如果工件合格，则完成了检测，将工件送出；如果工件泄漏量超标，则将工件及卡具等作为一个整体沉入一个水槽里，观察具体的泄漏位置。未来的气密性检测技术必将向高精度、高效率、智能化的方向发展。现代气密性检测设备的广泛应用也将为保证产品质量、保障生产安全、提高企业经济效益发挥越来越重要的作用。 2 系统整体方案选定 2.1 设计任务1）实现软件仿真由于曾经课程设计中用到过单片机相关的硬件系统的protues仿真实验，所以呢，对于本次毕业设计，首先想到了软件仿真实验，因为这样做可以少掉许多不必要的麻烦，例如，如果是有了设计电路图之后，直接的就去焊电路的话，可能有些电路有些错误什么的，这在硬件焊接过程中是有可能发生的，一旦有这种情况就需要进行重新焊接，这不仅浪费元器件，而且会把原有的电路搞得很凌乱，不美观，这也是会影响到调试人员的心情的，不便于调试。软件仿真模块主要分为两部分：protues硬件电路仿真、keil软件程序的仿真。Protues即虚拟的硬件元器件进行电路连接，然后，通过keil软件编程，并将程序下载到虚拟的单片机芯片里去，然后运行，调试。2）实现数据采集能够选择合适的AD转换芯片及通道，实现传感器信号的采集，模数转换。3）实现数据显示能够将采集到的气压值，温度值，适时或间断的显示到LCD显示屏上面。4） 实现数据判断以及报警能够对采集到的数据做出正确的判断，是否合格，不合格则铃声和灯光报警。测压范围：0.1-1MPa 工作温度：0-702.2 气密性检测的工作原理对具有密闭容器性质的产品来说，如果在使用过程中发生了泄漏且泄漏量超过了允许范围，不仅产品功能会受到影响，严重时可能导致火灾、爆炸、有害气体溢出等严重后果，引发不可挽回的损失 。为保证产品质量，保障生产、生活的安全，具有密闭容器性质的产品在出厂前都要进行密封性能检测。因为常采用充气的方法进行检测，也称为气密性检测。其工作的原理即：如果是直接压力法，则先对被测件充气，使其达到平衡，然后，测量被测件的气压值得变化形势，每隔一段时间要采集一次数值，而泄漏量则是初始平衡状态下的气压值与适时值的差值，当这个差值大于设定的泄漏量值时，则要系统报警，工件气密性不合格。 如果是差压法，则先对标准件和被测件同时充气，直到压力平衡，然后测量到标准件与被测件的气压差值，如果这个差值大于设定值，则发出报警信号，工件不合格。2.3 气密性检测的方案比较 该次设计中，仪器采用测量压力来判断是否泄露，当容积和检测压力一定时，若容积内气压变化时，压力也会变化，这将严重影响测量结果。 气密性检测的方法多种多样,常用的气密性检测方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法、压力变化法、流量法、超声波法、静压法和目前广泛使用的直压法、流量法、微差压法、氦气泄露检测法等。根据工件的类型和密封性能要求，可以选择不同的检测方法。气泡法是将工件浸入水中，充入压缩空气，然后在一定时间内收集从中泄漏出来的气泡以测出泄漏量，用肉眼观测气泡位置确定泄漏点。涂抹法是在内部充有一定气压的工件表面涂抹肥皂水一类的易产生气泡的液体，观察产生气泡的情况以检测泄漏量的大小及位置。传统的检漏方法虽然操作简单，但都存在着检测精度低、检测结果受检测人员主观影响较大、检测周期长、不能实现检测自动化等缺点。另外，鉴于一些工件易生锈、易腐蚀等特性，这些检测方法不适合。 随着工业自动化和检测技术的发展，传统的气密性检测手段，如浸水法和涂抹法逐渐被淘汰，开始利用气体的物理特性或化学特性变化来检测是否有泄漏产生，例如氦质谱仪、超声波检测仪、卤素检测仪、激光检测仪等 。但上述方法大多局限于定性检测，检测效率不高，另外测试仪器也比较昂贵。随着科技的发展，市场竞争的日益激烈，厂家需要更加高效、简便、智能的气密性检测设备。目前比较流行的气密性检测方法是利用气体流量公式进行检测。首先测量与泄漏量相关的一些参数，例如压力、压差、弹性波等，然后将这些相关量通过定关系式转化为相应的泄漏量。这种检测方法受主观因素影响小，检测精度高，并且易于实现自动控制、自动报警，大大提高了检测效率。依据被测参数的不同，依据气体流量公式进行气密性检测的方法又分差压法、直压法、真空法、流量法等。其中被测参数的选取，对气密性检测精度有直接影响。其中差压法是将标准件与被测件等条件下同时充入相等的气体，使初始气压值相等，然后过一段时间检测一次，将被测件与标准件相比较，得到被测件的泄露量，进而换算成泄漏率，以此来判断工件的气密性；而直接压力法则是对被测工件充气并达到平衡，测得初始气压值，然后密封，过一段时间后再次检测工件的气压值，并与初始气压值相比较，进而得到工件的泄漏量，相比来说，直接压力法，操作简单，成本低，更适合用来现场检测。2.4 气密性检测方案选择 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； 气泡法直观，是通过液体或肥皂泡涂于工件表面，看是否有气泡产生，有则说明漏气，否则良好，但这种测试方法效率低，受主观因素影响较大且易误判，只能作定性判断，很难作定量判断； 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。经过详细了解气密性检测方案及发展现状，本次研究选择了直压法气密性检测，其基本检测步骤包括充气、平衡、直压检测、放气、数据显示、气密性指标判断。直接压力法有如下特点：测试系统结构紧凑，自身容积小、测量范围宽等特点。但是它的检测分辨率取决于使用的测试压力。直接压力法测试原理见图1-3。 图2-1 直接压力法测试原理图 直接压力法原理：如上图所示，在环境稳定的情况下，对测试工件进行充气，直到被测工件气体充满为止，然后，关闭压力阀，着就是在测试工件相对密封的情况下，利用压力传感器测试工件内的压力的绝对值，与此同时，将感应到的数据适时传递到单片机数据采集端口，经过定时的数据采集，经过转换，从而进行单片机的数据处理，如果压力的变化量在一定时间段内变化缓慢，并且维持在泄漏率的一个恒定范围内，由此，判断工件的气密性是良好的，工件合格，否则，工件不合格！ 3 系统硬件设计3.1 系统硬件总体构成该气密性检测仪的设计用到的硬件元器件主要包括包括：AT89S52 、ADC0809、蜂鸣器、LCD1602、DS18B20等。其主要框图结构如下： 图3-1 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。3.2 单片机系统的概述 AT89S52是美国 ATMEL 公司生产的低功耗、高性能cmos 8位单片机。片内含4k bytes的可系统编程的FLASH只读程序存储器，全静态工作：0Hz-24Hz，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集FLASH程序存储器，即可在线编程，也可用传统方法进行编程，集通用8位微处理器于单片机芯片中，可以灵活应用于各种控制领域。 图3-2 at89s52 实物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。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。3.3 气压传感器模块 压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛的应用在流量、气压的测量中。气压传感器的基本原理：某些气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。某些气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化。新款 BOSCH BMP085 气压传感器模块，这种气压模块，比较好用，输出直接是数字信号，省去了自己做AD转换的步骤，这在工业生产中提高了工作效率，节约了成本，但是每种传感器都有它独特的应用范围，由下图可以看到，气压感应模块太小，没有螺纹，不容易与被测器件进行对接，只适合于小的简单的应用，在工业领域不适合使用。 图3-3 新款BOSCH BMP085气压传感器模块1、板载BMP085数字式气压传感器，内置AD转换器，支持IIC通信协议2、模块可以测试大气气温和大气压强,PCB采用沉金工艺。pcb尺寸18.5mm*18mm3、支持5V/3.3V电压输入4、常用的引脚已经引出，插针为标准2.54mm另外，杭州润辰科技有限公司的PRC-801压力传感器，本产品具有多种结构形式（直接引线、航空插头），外形结构紧凑，方便用户使用，压力敏感元件采用扩散硅充油芯体，长期稳定好，采用不锈钢壳体，具有耐腐蚀功能。 图3-4 PRC-801压力传感器量程范围：0200Kpa，0100Mpa测量精度：0.5%，0.2%输出电压=50MV供电：936VDC响应时间：10ms适用范围：液压及其控制系统，液位测量及控制所以，本次设计上，磁传感器不符合任务要求，我的任务要求即 01000kpa 气压信号。经过详细考虑，本次设计采用的气压传感器是无锡迈姆斯科技有限公司的 MPS20N1000D-S 型绝对压力传感器。 图3-5 MPS20N1000D-S型绝对压力传感器其特点如下：尺寸小工作温度：-40C 125C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。3.4 温度传感器模块温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数，物体的许多物理特性和化学特性都与温度有关，许多生产过程都是在一定的温度范围进行的，需要测量温度和控制温度，因此温度测量的场合极其广泛，随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高。 图3-6 AD590电流输出型两端温度传感器AD590电流输出型两端温度传感器是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器.（热敏器件）AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：1、流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,在8051的各种课本中常看到它,相当常用到。其规格如下：1）温度每增加1,它会增加1A输出电流。2）可量测范围-55至150。3）供应电压范围+4V至30V。有以上可知AD590输出信号为电流信号，这样的话，要想让此信号采集到单片机里面，还需要重新设计信号调理电路，如果应用到工业生产中，增加了生产环节，加大了生产投入，生产效率却会降低了，而且，使用起来没有那种直接压力输出的较为直观。DSl820数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出，因此从主机CPU到DSl820仅需一条线(和地线)。DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源，因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件，DS18B20测量范围从 -55C到 +125C,增量值为0.5C,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912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3-7 DS18B20 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。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3-8 温度与压力的变化曲线关系图本次设计中由于考虑到温度对气压的影响，温度的升高会引起气压的变大，所以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。3.5 数据采集模块3.5.1 气压采集模块 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AD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DA转换器、逐次逼近。 (a)ADC0809实物图 （b）ADC0809 管脚图 图3-9 ADC0809 其主要特性如下： 1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s。 4）单个5V电源供电。 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085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。气压值采集模块仿真如下图，以IN0 口为模拟气压值输入口，OUT1OUT7口作为八位二进制数字输出口，OUT1OUT7口连接AT89S52 的P1口，以此将采集到的数字信号传入单片机，进行进一步的数据处理。首先，选择AD转换通道，因为用的只是一路模拟通道采集，所以a0=0，a1=0，a2=0。当然如果只是使用一路通道采集的话，也可以将通道选择的三个端口都接地，这样的话减少了单片机端口的使用，硬件电路也会更加的清晰。其次，设置ADC0809的时钟信号，这个是给转换芯片提供的工作时钟，可以直接外加一个晶振，也可以通过编程，使用单片机内部的时钟信号，这样的话就省去了晶振，在生产方面，也会节约成本。然后，设置AD芯片输出口接单片机的P1口，接着进行信号的采集，ADstart()输出一个高低脉冲，开启AD转换， 图3-10 气压数据采集模块电路图3.5.2 温度采集模块由于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，可以直接通过DQ端将信号输入到单片机使用。当然，采集温度数据的时候，要设置好输出数据的分辨率，在本次设计中，采用的是12位数字输出信号，对应的精度为0.625。通过启动命令ds1820wr(0x44)进行温度数据的采集采集到12为二进制的数字信号，为了将采集的数字信号分离出十位、个位、小数位，需要将采集的数据扩大10倍，然后分离出各个数据，精确到小数点后一位显示。在分离各个位数的时候，要考虑到温度的正负值。 if(tflag=0) lagdat=0x20;如上，如果温度值为负值，则显示负号，否则什么都不显示。 disdata1=tvalue%1000/100+0x30;此句是进行温度数值的十位数的分离，以此类推分离出个位、小数点、小数位。 图3-11 温度数据采集模块电路图3.6 单片机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。将采集到的气压值，即0-255之间的一个数字量，让其乘以ad转换电压5v，再乘以量程与5v电压范围的倍数，得到的是采集到的气压值：adoe=1;temp=P1;adoe=0; b1=(2*temp)*500/255)/100; /最高位b2=(2*temp)*500/255)/10%10; /第二位b3=(2*temp)*500/255)%10; /第三位b11=(2*(255-temp)*500/255)/100; /最高位b22=(2*(255-temp)*500/255)/10%10; /第二位b33=(2*(255-temp)*500/255)%10; /第三位如上面所示，b1为气压值的百位数， b2为气压值的十位数， b3为气压值的个位数，b11为泄漏量的百位数，b22为泄漏量的十位数，b33为泄漏量得个位数。其中 “255-temp”中 255是可以改变的，根据自己设置的泄漏量的大小来改变份数，255代表的是份数，temp为采集的气压值得份数，然后，将（255-temp）比上总的份数255，然后乘以5，再扩大200倍，得到的就是气压值泄漏量，然后要显示到LCD1602上面，所以要分离出来百位、十位、还有个位。 程序中，g 为一个测量范围设定值，b1为测量值，若果测量值b1g ，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P600kpa 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。3.7 LCD1602数据显示模块该模块，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。LCD1602根据其特性，两行十六列数字符号显示，LCD1602已很普遍了，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。HD44780内置了DDRAM、CGROM 和CGRAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下 表3-1 LCD1602内部地址与屏幕的对应关系也就是说想要在LCD1602屏幕的第一行第一列显示一个A字,就要向DDRAM的00H 地址写入“A”字的代码就行了。但具体的写入是要按LCD 模块的指令格式来进行的，后面我会说到的。那么一行可有40个地址呀？是的，在1602中我们就用前16个就行了。第二行也一样用前16 个地址。对应如下： 表3-2 LCD1602 写地址表字符型LCD 通常有14 条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，定义如下表所示： 表3-3 LCD1602管脚功能表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,即泄漏量；第二行显示的是采集到的实时气压值。其显示模块电路如下图： 图3-12 数据显示模块3.8 系统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。硬件电路如下图所示： 图3-13 报警电路连接图硬件电路仿真图中，没有加上报警灯，这个在做实物焊接的时候，是讲一个红色发光二极管与一个蜂鸣器并联后接到P2_5上面的，气压值每隔一段时间检查一次，当气压值小于某一个设定值的时候，发生报警信号，便于工作人员将不合格产品挑除。实物报警信号如下图： 图3-14 报警电路实物图如上图所示，当气压值低于某个范围值时，则系统亮红灯，并且蜂鸣器报警。 整体硬件电路图： 4 系统软件设计4.1 系统软件编程应用本次毕业设计软件设计部分用到的编程软件是 keil uVision4。该软件的使用过程中，学会设置晶振频率，设置单片机型号，学会建立一个工程，这一切都设置好之后，就可以进行程序编辑了，根据自己设计好的软件编程框图，进行编写初始主程序程序，然后编写各个功能模块子程序，如下图，最终生成“.hex”文件，这个文件不仅要用在protues硬件仿真中，而且要下载到AT89S52单片机实物中，进行硬件电路的调试，不断的调试，修改程序，并最终达到任务的要求。uVision4引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图内的任何地方，包括支持多显示器窗口。uVision4在Vision3 IDE的基础上，增加了更多大众化的功能。 多显示器和灵活的窗口管理系统 系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器信息 调试还原视图创建并保存多个调试窗口布局 多项目工作区简化与众多的项目 图4-1 keil软件启动图片接着按下面的步骤建立您的第一个项目： （1）点击Project菜单，选择弹出的下拉式菜单中的New Project，如图12。接着弹出一个标准Windows文件对话窗口，如图13。在“文件名”中输入您的第一个C 程序项目名称，这里我们用“test”，只要符合Windows文件规则的文件名都行。“保存”后的文件扩展名为uv4，这是KEIL uVision4项目文件扩展名，以后我们可以直接点击此文件以打开先前做的项目。 图4-2 keil新建工程示意图 （2）选择所要的单片机，这里我们选择常用的Ateml公司的AT89S52。此时屏幕如图14 所示，完成上面步骤后，我们就可以进行程序的编写了。 图4-3 单片机型号设置示意图选择AT89S52，点击ok即建立了工程。 （3）然后我们要在项目中创建新的程序文件或加入旧程序文件。如果没有现成的程序，那么就要新建一个程序文件。 图4-4 程序文件 图4-5 晶振频率设置 系统编程的最后生成“.hex”文件，这个程序文件是单片机调试过程中需要用到的。 图4-6 生成“.hex”文档4.2 系统软件编程整体框图 软件设计系统流程图如下： 图4-7 软件流程图如上图所示，1） 启动电源，单片机进行端口选择，AD初始化，单片机各个通道初始化，DS18B20初始化，LCD1602初始化。2） 设置泄漏量允许范围值。3） 采集气压传感器数字量信号，DS18B20数字温度信号。4） 判断在正常的温度范围内，气压泄漏量是否符合设定范围值。5） 判断处理，如果泄漏量不超出设定范围，则正常显示，如果超出，则显示气压值和泄漏量，并且能够声光报警。6） 返回等待下一次定时数据采集。本次设计要考虑的定时采集，又考虑到现场工业检测的精度和效率，需要设定时间段，让系统定时采集数据，分析处理，并做出判断，部分相关应用程序可参照下面：/*定时中断*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-60000)/256;TL0=(65536-60000)%256;tt+; if(tt=5) /LCD第二屏显示 tt=0;a4=1; if(b1g)/if(b2=h)/if(b3=k)a4=0; elsea4=1; xianshi(); read_temp();/读取温度 ds1820disp();/显示 tt代表的是设置的循环时间段参量，初始值为0，每1秒加1，加到tt=5时，刚好5秒，系统中断采集数据，分析处理，并且报警。 5 系统调试及误差分析5.1 系统调试系统调试过程中，需要不断的修改程序，不断的修改硬件电路，刚开始的时候，硬件电路图先焊接的是单片机最小系统，其对应的电路图如下： 图5-1 最小系统电路图在该次调试中，由于硬件仿真过程中，对于最小系统的复位电路端的电容设置为1uf，而真正的电容范围应该是22uf 左右，所以开始的时候，怎么都不能使单片机工作，最后换了一次电容，将其改成10uf的，这个时候会有时候正常工作，有时候不会，最终查看了一下单片机资料，最终将复位电路电容改为22uf，结果，系统能够正常工作了，然后，调节LCD1602显示屏的背光电阻，使屏幕能够正常的清晰的显示出数字，最后调试的是报警电路，刚开始接一个蜂鸣器的时候，当泄漏量大于预设范围时，怎么都不会报警，最后得知蜂鸣器接口电路接错了单片机管脚。最后已基本上达到了本次设计的要求，经过多次得数据采集，得到以下的数据表。第一行为采集到的适时气压值，第二行为泄漏量显示值，本次设置的初值为1000kpa，随着泄漏量的上升，压力值逐渐呈线性下降。 表5-1 压力与泄漏量采集关系值5.2 误差分析 根据得到的数据可以看出 ，压力值与泄漏量之和基本上999kpa和压力初始值1000kpa 相差1kpa，我想可能是硬件电路采集过程中，仿真信号的电压的影响，或者可能是ad转换芯片不够精准，当然也可能我在编程的过程中，参数设置上出了一点小的毛病。 6 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。硬件焊接时，由于找不到合适的测压器件，无法对压力传感器进行比较精确的标定，还有，传感器调理电路不知道怎么的，传感器输出信号4mv，当我把这个信号接到调理电路上之后，信号就会发生变化，变成了0.5v，这个问题我想了好长时间，不知道怎么解决，可能是调理电路没有设计好吧，挺遗憾的。 结论本次毕业设计任务是设计一个 基于单片机的气密性检测仪，要求选择合适的气压传感器和配套的信号调理电路，将传感器信号经调理之后给单片机进行处理，使系统能够实现气压显示和温度显示，当气压泄漏量大于某一个值时，系统能够发生报警信号，即亮红灯和响铃。气密性检测仪，比起那些原始的人工气密性检测法要更快速，更准确，在现今的社会发展中所发挥的作用也越来越大，那么，更快捷效率的气密性检测仪也会慢慢的适应时代的发展，取代低级的测量方法。直压式的气密性检测法，相对于差压法来说，生产成本低，简单实用，更方便适用于现场测试，尤其是在车辆制造，监控设备方面，起着尤为重要的作用，挺高检测精度和效率，就会大大的提高产量和合格率，减少了生产方面因产品不良产生的浪费。本次毕业设计中，由于硬件条件的不足，以及时间的紧迫，设计任务中的压力传感器模块，以及与之相匹配的调理电路模块没有真正的做出来，为此感到很遗憾，至于其它各个任务要求都已经基本实现，我觉得本次设计真正做完后，可以根据测压范围的大小，以及传感器的接口方面匹配因素，可以将此检测仪应用的汽车制造，工业控制，胎压检测等方面，应用广泛，市场前景比较大。 参考文献1 Jihong Kim，Yongmin Kim.Performance Analysis and Tuning for a Single-Chip Multiprocessor DSP 1997.1-32 孙定云.传感器与应用手册M. 北京:机械工业出版社 2004.13 王勇，马凯 . 气密性检测技术在发动机生产过程中的应用J. 汽车工艺与材料， 2009.74 邵威，金星，阿日贡巴彦尔.气密检漏泄漏量测试系统的设计J.计算机测量与控制, 2010. 1：4-105 妹忠波，马朝永，姚振，庄国军，王震.基于PIC单片机的便携式气体测漏仪J.电子测量技术,第33卷第2期 2010.02 6 张玲.一种新型柴油机测试仪的研制J. 山东大学数学与系统科学学院,2011.37 孙相业，王书傲， 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