機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）單片機(jī)氣體測(cè)漏儀的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2010 屆 ）設(shè)計(jì)（論文）題目 單片機(jī)氣體測(cè)漏儀的設(shè)計(jì) 辦 學(xué) 點(diǎn) （系） 連云港 （信息工程系） 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班級(jí) 07機(jī)電（五） 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師 職稱 助教 2011年11月1日 目 錄摘 要11 緒論11.1 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)21.1.1 研究現(xiàn)狀21.1.2 測(cè)漏檢測(cè)的發(fā)展方向21.1.3 國(guó)內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用21.2 常用氣體測(cè)漏方法31.3論文主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu)41.4本章小結(jié)52 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1 系統(tǒng)整體功能介紹62.1.1 對(duì)直壓法和差壓法的分析62.1.2 本課題的主要工作72.1.3 系統(tǒng)功能塊的劃分72.2 關(guān)鍵技術(shù)

2、選擇82.2.1 檢測(cè)控制模塊82.2.2 人機(jī)界面的選擇82.2.3 串口通訊模塊的選擇92.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.3.1 系統(tǒng)總體工作模型92.3.2 系統(tǒng)的總體框圖10圖2-4 系統(tǒng)總框圖112.4 本章小結(jié)113 系統(tǒng)的硬件電路123.1 壓力信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)123.1.1 壓力變送器的選擇123.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器ads1110133.1.3 ads1110與單片機(jī)的硬件連接153.2 溫度信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)163.2.1 溫度信號(hào)處理電路163.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)193.3.1 鍵盤輸入模塊的設(shè)計(jì)193.4 通訊模塊的設(shè)計(jì)243.4.1 串口通訊協(xié)議243.4.2 通訊模塊

3、與單片機(jī)的接口電路273.5電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)283.6 電源模塊的設(shè)計(jì)283.7 本章小結(jié)294.1 系統(tǒng)主程序流程圖及零點(diǎn)漂移的克服294.2 鍵盤及顯示模塊的實(shí)現(xiàn)314.2.1 鍵盤輸入模塊流程314.3 壓力、溫度信號(hào)采集流程334.4 算法的實(shí)現(xiàn)344.4.1 零點(diǎn)漂移的克服算法344.4.2 數(shù)字濾波算法344.4.3溫度補(bǔ)償算法364.5 通訊模塊的軟件流程364.5.1 自定義軟件通訊協(xié)議364.5.2 校驗(yàn)原理分析37參 考 文 獻(xiàn)39摘 要現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)手段提出了越來(lái)越高的要求。氣密性檢測(cè)作為檢測(cè)方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面起著越來(lái)越重要的作用。特別是在

4、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(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的研究使測(cè)漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)漏方法操作不靈活，容易產(chǎn)生誤判，而且不利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析。直壓式氣體測(cè)漏由于具有原理簡(jiǎn)單、成本較低、方便實(shí)用、干凈無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在氣密性檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的青睞。本文設(shè)計(jì)了一種基于干式測(cè)漏法(直接壓力測(cè)試法)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的氣體測(cè)漏儀。利用高精度a/d對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過lcd即時(shí)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(chǔ)存和分析?？朔藗鹘y(tǒng)方法易受主觀因素的影響等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣密性檢測(cè)的自動(dòng)化。論文首先闡述了課題的背景以及研究現(xiàn)狀，對(duì)各種氣密性檢測(cè)方法

5、進(jìn)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(jì)思想分別對(duì)系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序進(jìn)行了分析。硬件電路主要包括:壓力信號(hào)采集電路、溫度信號(hào)采集電路、鍵盤及顯示電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和控制電路的設(shè)計(jì)和原理分析;軟件設(shè)計(jì)主要包括:主程序的實(shí)現(xiàn)、鍵值的輸出采集、液晶標(biāo)準(zhǔn)接口的讀寫、虛擬i2c總線的實(shí)現(xiàn)、零點(diǎn)漂移的克服以及自定義通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，給出了各程序模塊的設(shè)計(jì)思想和流程圖。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了系統(tǒng)的精度?？偨Y(jié)了本文的特點(diǎn)及不足，為快速性測(cè)量提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。關(guān)鍵詞：測(cè)漏儀，單片機(jī)檢測(cè)，自動(dòng)化，人機(jī)界面1 緒論 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)手段

6、也提出了越來(lái)越高的要求。氣密性檢測(cè)作為檢測(cè)方式的一種，在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面起著越來(lái)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，直接影響著汽車的性能。隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的研究使測(cè)漏技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，如何快速檢測(cè)泄漏又稱氣密性試，長(zhǎng)期以來(lái)一直是科研和實(shí)踐領(lǐng)域的重要課題。 泄漏檢測(cè)也稱密封性檢測(cè)，屬性能指標(biāo)范疇，主要用于測(cè)試被測(cè)件的氣密性狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外廣為采用的方法為水沒法，又稱濕式檢測(cè)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(jì)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(zhǔn)確找出泄

7、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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化效率很低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的定量的判斷浸水后需對(duì)工件做表面處理，防腐，烘干等處理，這樣就加大了測(cè)量所需的費(fèi)用很多對(duì)氣密性有要求的產(chǎn)品，不能夠采用氣泡法進(jìn)行測(cè)量，因此，迫切需要一種更好的方法來(lái)代替它，利用氣體的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)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(cè)件內(nèi)氣體質(zhì)量減少，這樣必然引起被測(cè)件內(nèi)氣體的一些參數(shù)發(fā)生變化。可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)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(lái)代替真實(shí)介質(zhì)，對(duì)被測(cè)工件充氣加壓或抽真空介質(zhì)為空氣，然后對(duì)其壓力或差壓與比較容器

8、之間進(jìn)行取樣分析，從而判斷工件是否泄漏，這種方法清潔、無(wú)污染，而且簡(jiǎn)單易行，給實(shí)際生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，得到了一定的推廣。1.1 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)1.1.1 研究現(xiàn)狀 日前測(cè)漏儀的種類很多，而且應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在我們生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展對(duì)我們產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著很大的促進(jìn)作用，同時(shí)提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力，在泄漏測(cè)量自動(dòng)化方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當(dāng)前國(guó)外一些廠家在技術(shù)上較為成熟一些，例如，日本、法國(guó)、美國(guó)等在技術(shù)上具有較大的優(yōu)勢(shì)。而且他們的產(chǎn)品的性能也好一些，精度也要高一些。國(guó)內(nèi)目前也有一些生產(chǎn)測(cè)漏儀的廠家，雖然在測(cè)漏儀方面，技術(shù)比較成熟，而且推出了

9、許多新產(chǎn)品，但是很多技術(shù)主要來(lái)自國(guó)外，比如天津的福田公司、浙江的三花集團(tuán)。它們的測(cè)量效率較低，很難應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量的快速性問題，是當(dāng)前氣體測(cè)漏儀所要解決的首要問題。1.1.2 測(cè)漏檢測(cè)的發(fā)展方向 目前氣壓法測(cè)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(cè)性質(zhì)的本身來(lái)看，發(fā)展方向主要在于如何縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量精度，降低產(chǎn)品價(jià)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(lái)確定泄漏的位置，一般還是采用測(cè)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(lái)檢測(cè)泄漏位置，但是特殊氣體泄漏會(huì)造成環(huán)境污染。這種采用特殊氣體進(jìn)行泄漏檢測(cè)的方法雖然有較高的可靠

10、性，但是需要采用價(jià)格昂貴的檢測(cè)儀器。氣壓法檢測(cè)由于采用空氣作為檢測(cè)介質(zhì)，因此不會(huì)產(chǎn)生污染，而且檢測(cè)方便、不需特殊儀器?？紤]提高測(cè)量精度的時(shí)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(cè)件內(nèi)部的氣流快速趨于穩(wěn)定。從控制方法上來(lái)看，控制手段越來(lái)越多，如單片機(jī)控制、控制、計(jì)算機(jī)控制等等，測(cè)漏儀的操作界面也越來(lái)越人性化，而且操作越來(lái)越方便。如法國(guó)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(shí)可以給出測(cè)量的泄漏量。1.1.3 國(guó)內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用 隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，氣體測(cè)漏儀的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)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

11、。現(xiàn)在生產(chǎn)氣體測(cè)漏儀的廠家很多，產(chǎn)品也能滿足不同測(cè)試條件的要求。（1）法國(guó)ateq公司 法國(guó)ateq為世界制造氣密性測(cè)試儀器的先驅(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(cè)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(shí);還提供了多種檢測(cè)模式供操作者選擇，使操作界面盡量適和操作者的使用。（2）美國(guó)uson的公司 美國(guó)uson也生產(chǎn)很多種類型的測(cè)漏儀，它的4000系列提供了多種檢測(cè)模式，同時(shí)考慮到了測(cè)漏性能、泄漏量、以及針對(duì)實(shí)際中不同被測(cè)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(duì)操作者要求不高，其40

12、00系列還具有較快的測(cè)試速度和較高的靈敏度。（3）日本cosmos的公司 日本cosmos的公司空氣測(cè)漏儀是對(duì)氣密部品成品進(jìn)行加壓或抽真空后，通過測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的微小差壓來(lái)判斷是否有泄漏的自動(dòng)測(cè)試器。它由耐高壓的差壓傳感器，高性能的氣動(dòng)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(cè)試。（4）浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司 浙江三花通產(chǎn)實(shí)業(yè)有限公司該公司專業(yè)從事泄漏檢測(cè)儀及其它專用設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和銷售。它研制、生產(chǎn)及銷售alt系列泄漏檢測(cè)儀、檢測(cè)專機(jī)及自動(dòng)化泄漏檢測(cè)線。（5）福田天津儀器儀表公司 福田天津儀器儀表研究所承接國(guó)內(nèi)外客戶有關(guān)空氣壓測(cè)試、控制等方面的各種開發(fā)項(xiàng)目，但自

13、己開發(fā)的項(xiàng)目較少，主要引進(jìn)fukuda公司的技術(shù)。1.2 常用氣體測(cè)漏方法 隨著測(cè)漏技術(shù)的發(fā)展，測(cè)漏儀的種類也越來(lái)越多。但在測(cè)漏儀的原理方面，主要應(yīng)分為濕式和干式其中濕式檢測(cè)法主要是指氣泡法，干式檢測(cè)法主要包括下面提到流量測(cè)試法、直接壓力測(cè)試法、差壓測(cè)試法、氦氣測(cè)量方法等。下面對(duì)這幾種檢測(cè)原理分別作簡(jiǎn)單介紹。(1)氣泡法(the leak detecting method by air bubble) 傳統(tǒng)的測(cè)漏方法主要是氣泡法。氣泡法是指將被測(cè)件密封后放入水中，然后觀察氣泡的產(chǎn)生情況來(lái)判斷泄漏量的大小的方法。為了能夠使測(cè)量更加明顯，一般也會(huì)向被測(cè)件內(nèi)充入一定壓力的氣體。如圖1-1所示:壓力表

14、空氣源水槽被測(cè)物件圖1-1 氣泡檢測(cè)法(2)流量測(cè)試法(the leak detecting method by air flow meter)當(dāng)氣源對(duì)被測(cè)件充氣完畢后，如果被測(cè)件有泄漏，整個(gè)密封系統(tǒng)就會(huì)有氣體的流動(dòng)，泄漏量與流量相同，用微小流量測(cè)試儀就可以測(cè)出泄漏量。如圖1-2所示:被測(cè)件空氣源微小流量泄露圖1-2 流量測(cè)試法(3)直接壓力測(cè)試法(the leak detecting method by air pressure decay)加正壓或負(fù)壓后關(guān)閉閥門，由壓力表或壓力傳感器、壓力開關(guān)等測(cè)出因被測(cè)物泄漏引起的壓力下降值。而且由壓力的下降值就可以計(jì)算泄漏量的大小。這種方法簡(jiǎn)單可靠，使

15、用方便、價(jià)格便宜。如圖1-3所示：壓力表被測(cè)件空氣源圖1-3 壓力檢測(cè)法(4)差壓測(cè)試法(the leak detecting method by air pressure difference)對(duì)被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件同時(shí)充入壓縮氣體，由高精度的差壓傳感器測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)合才選用差壓法。(5)氦氣測(cè)量方法(the leak detecting method by helium mass measurement)將混有氦元素的壓縮氣體充入被測(cè)件，且將被測(cè)件放入密封容器，通過氦元素檢測(cè)裝置測(cè)量密封容器里氦元素的含量來(lái)分析被測(cè)件泄漏量的大小。這

16、種方法精度比較高，一般用在高精度場(chǎng)合。上述檢測(cè)方法的測(cè)試性能對(duì)比見表1-1:表1-1各種檢測(cè)方法的性能對(duì)比序號(hào)測(cè)試方法自動(dòng)化檢測(cè)能力可靠性壽命適用性經(jīng)濟(jì)性氣泡檢測(cè)法不好好不好好特好不太好流量檢測(cè)法好不好好好好好直壓式檢測(cè)法好不太好好特好不太好好差壓式檢測(cè)法好好好特好特好好氦元素檢測(cè)法好特好好不太好不太好不好1.3論文主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu)本課題“基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究”是對(duì)傳統(tǒng)氣體測(cè)漏方法的一種改進(jìn)和新的嘗試，其特色主要在以下幾點(diǎn):一是加入了單片機(jī)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(jiǎn)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，有效地克服了

17、許多模擬儀器無(wú)法克服的零點(diǎn)漂移的問題，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。三是將直接壓力測(cè)試法與差壓測(cè)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(cè)漏技術(shù)的國(guó)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(shí)現(xiàn)的功能和各個(gè)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(jì)構(gòu)想，最后給出了整個(gè)系統(tǒng)的整體工作模型和框圖;第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，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(xì)的電路圖解，并對(duì)其中的相關(guān)技術(shù)給出了詳細(xì)的介紹;第四章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)，

18、采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將系統(tǒng)的軟件進(jìn)行功能塊的劃分，詳細(xì)的介紹了各個(gè)功能塊的具體實(shí)現(xiàn)，并給出了軟件流程圖;第五章介紹了試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)以及發(fā)展方向。最后是本文的結(jié)論，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。1.4本章小結(jié)本章概述了氣體測(cè)漏技術(shù)的國(guó)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(cè)的主要手段，檢測(cè)方式復(fù)雜、容易產(chǎn)生誤判、無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。常用的氣體測(cè)漏方法還有流量法、直接壓力法、差壓法、和氦元素法。氣體測(cè)漏儀是基于被測(cè)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(cè)手段。具有方便、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。最后提出了課題的主要研究?jī)?nèi)容文章結(jié)構(gòu)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)整體功能介紹

19、2.1.1 對(duì)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(cè)量原理相同，都是在氣體泄漏會(huì)導(dǎo)致被測(cè)件內(nèi)壓力變化的條件下，基于被測(cè)件內(nèi)壓力變化原理進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)它們之間存在著較大差別，對(duì)于直接壓力法，隨著壓力升高，分解能力降低。而且檢出時(shí)間長(zhǎng)，受溫度影響和變形影響大，對(duì)于不同的測(cè)試壓力要求，要采用適用壓力范圍不同的傳感器。對(duì)于差壓法，則不論檢測(cè)壓力多大，均能進(jìn)行高精度泄漏測(cè)量檢測(cè)。因分解能力高，即使測(cè)量時(shí)間短也可高效的檢出，因此，通過足夠長(zhǎng)時(shí)間的加壓穩(wěn)定，對(duì)由氣體溫度和變形等引起的誤差將減少。即使測(cè)試壓力變化，但由于同時(shí)對(duì)工件和標(biāo)準(zhǔn)件充氣，差壓傳感器仍能精確工作。 從以上

20、比較不難看出，差壓法的精度遠(yuǎn)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(gè)全密封的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)配合使用，給測(cè)量帶來(lái)了很大的不便。同時(shí)在價(jià)格上也比直接壓力法高出了很多。因此在我們對(duì)測(cè)量精度要求不高時(shí)我們還是應(yīng)該盡量選擇直接壓力法，但當(dāng)我們對(duì)精度有較高要求時(shí)我們就應(yīng)該考慮采用差壓法。對(duì)于直接壓力法和差壓法，它們的測(cè)量過程基本相似。都是由充氣、平衡、測(cè)量和放氣四個(gè)過程組成。本文重點(diǎn)以直接壓力為例來(lái)介紹氣體測(cè)漏的具體實(shí)現(xiàn)過程。圖給出了測(cè)量的四個(gè)階段被測(cè)件內(nèi)的壓力變化。直接壓力法檢測(cè)如圖所示。測(cè)量主要分為四個(gè)過程，即充氣過程、平衡過程、測(cè)量過程和放氣過程。當(dāng)測(cè)量開始時(shí)，打開電磁閥、對(duì)被測(cè)件進(jìn)行充氣也

21、就是充氣過程，充氣過程以設(shè)定的壓力向被測(cè)工件充氣，充氣階段結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，進(jìn)入平衡階段。為了在測(cè)量階段獲得可重現(xiàn)的測(cè)量條件，檢測(cè)系統(tǒng)在充氣后必須經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定，以便消除被測(cè)腔內(nèi)氣流紊亂造成的誤差，以及由檢測(cè)氣體所引起的溫度變化。在被測(cè)工件中流通的氣體為壓縮氣體，通過電磁閥時(shí)會(huì)膨脹，冷卻，然后再次被壓縮，升溫。由于溫度的變化，也會(huì)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(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力被保存，作為壓力的參考值。系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量階段，如果有氣體從被測(cè)工件中泄漏出去，必將引起壓力下降。在測(cè)量階段，系統(tǒng)通過一段時(shí)間的壓力降就可以判斷工件的泄漏程度，這個(gè)過程可以以數(shù)字的形式

22、顯示出來(lái)。當(dāng)測(cè)量階段結(jié)束后將被測(cè)件內(nèi)的氣體放掉，這階段為放氣階段。當(dāng)放氣階段結(jié)束后，就完成了一個(gè)檢測(cè)過程。減壓閥電磁閥1電磁閥2被測(cè)件壓力傳感器圖2-1 直壓式氣體測(cè)漏原理圖2.1.2 本課題的主要工作 本課題將單片機(jī)控制應(yīng)用到傳統(tǒng)的直接壓力式氣體測(cè)漏儀中，加入了液晶顯示和鍵盤輸入等模塊，提高了檢測(cè)過程的自動(dòng)化水平，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，并且方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，本科題要實(shí)現(xiàn)的功能如下用一種簡(jiǎn)單高效的方法來(lái)檢測(cè)被測(cè)工件的氣體泄漏特性高精度壓力檢測(cè)，可以最小檢測(cè)的壓力變化，檢測(cè)量程為0-20bar，壓力差檢測(cè)精度為0.1%將每次檢測(cè)結(jié)果顯示并保存，通過通訊接口送上位機(jī)以便日后統(tǒng)計(jì)

23、，分析零點(diǎn)漂移的克服。2.1.3 系統(tǒng)功能塊的劃分 對(duì)以上功能進(jìn)行分析，可以將系統(tǒng)分成以下三個(gè)功能塊：（1）檢測(cè)控制模塊 該部分為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是通過單片機(jī)來(lái)控制各個(gè)閥門的開關(guān)進(jìn)而完成直接壓力測(cè)漏，同時(shí)利用傳感器將系統(tǒng)各個(gè)階段的壓力信號(hào)和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再由單片機(jī)通過a/d接口來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，送單片機(jī)進(jìn)一步判斷其泄漏量，進(jìn)而完成一次完整的檢測(cè)。（2）人機(jī)界面選擇模塊 傳統(tǒng)的檢測(cè)手段都是由人來(lái)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(jiǎn)單。（3）串口及上位機(jī)通訊模塊 由于每次測(cè)量系統(tǒng)都記錄了大量的數(shù)據(jù)，如壓力值，檢測(cè)結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)都需

24、要通過通訊接口送入上位機(jī)保存以方便日后的分析處理，本模塊通過單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)。2.2 關(guān)鍵技術(shù)選擇 以上介紹了本課題所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，并將其分成了三個(gè)功能模塊，要更好的實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能模塊的功能，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)進(jìn)行必要的了解和謹(jǐn)慎的選擇，以下是對(duì)這三個(gè)功能塊的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和選擇。2.2.1 檢測(cè)控制模塊 本系統(tǒng)主要采集氣體壓力，壓力傳感器主要針對(duì)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(guó)進(jìn)口的高精度壓力傳感器，其普遍應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中，把氣體，液體壓力轉(zhuǎn)換成正比高線性電

25、信號(hào)輸出。壓力變送器可以用來(lái)測(cè)量靜壓和動(dòng)壓，可以測(cè)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(jià)比、高可靠性且通用等原則。在嵌入式系統(tǒng)低端的單片機(jī)領(lǐng)域和當(dāng)今的工業(yè)線程應(yīng)用中，位機(jī)仍然是主流機(jī)型。本課題選用了在單片機(jī)中最早實(shí)現(xiàn)技術(shù)的公司的，其為、字節(jié)的，足以存儲(chǔ)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(jìn)行通訊，滿足本系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)要求。2.2.2 人機(jī)界面的選擇 人機(jī)界面主要包括鍵盤與顯示模塊。 為便于操作人員對(duì)該儀器操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤輸

26、入模塊。由于按鍵的數(shù)目較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成行列式鍵盤，鍵值以掃描方式輸入單片機(jī)，并采用可編程芯片來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的輸入輸出口線，這樣有效解決了單片機(jī)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(diǎn)陣型液晶來(lái)做系統(tǒng)的顯示模塊。該模塊有內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片，提供了與單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)連接電路，使得控制液晶的顯示就如同控制外部存儲(chǔ)器的讀寫一樣簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)畫面卷動(dòng)、光標(biāo)、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)，并可外接字符發(fā)生器，可同時(shí)顯示行漢字字符，是該系統(tǒng)的理想顯示模塊。2

27、.2.3 串口通訊模塊的選擇 因?yàn)樾枰衔粰C(jī)進(jìn)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(gè)可以上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的接口，由于系列單片機(jī)本身就提供了標(biāo)準(zhǔn)串行接口。所以只需外擴(kuò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片如max232就可以實(shí)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(yǔ)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)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(jìn)

28、行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)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(duì)于單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，并不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。若采用modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議必將引起資源的浪費(fèi)，降低通訊效率。所以本系的通訊模塊借鑒了modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的crc檢驗(yàn)碼的生成過程設(shè)計(jì)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。2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 系統(tǒng)總體工作模型 傳統(tǒng)的直壓法測(cè)漏儀一般不檢測(cè)溫度信號(hào)，利用的是平衡階段溫度信號(hào)和壓力信號(hào)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

29、信號(hào)也采集到了系統(tǒng)中，不但提高了系統(tǒng)的精度，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量提供了有效的依據(jù)。另外傳統(tǒng)的直壓法測(cè)漏儀將壓力變送器選擇在被測(cè)件與自檢閥之間，控制器一般選擇微機(jī)。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(jī)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(duì)外只提供了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。大大的減小了系統(tǒng)的體積，使儀器使用起來(lái)方便靈活。泄露模擬接口顯 示單 片 機(jī)溫度變送器壓力變送器自檢閥充氣閥過濾器排氣閥被測(cè)件氣源減壓閥圖2-3 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(cè)漏系統(tǒng)的總體工作模型示意圖?，F(xiàn)將系統(tǒng)的總體工作情況描述如下：（1）首先打開氣源，氣體經(jīng)

30、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一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的壓力輸出。此壓力輸出根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象而不同。（2）單片機(jī)上電以后首先選擇不同的測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試程序的選擇主要依據(jù)減壓閥輸出壓力的設(shè)定和不同被測(cè)件的參數(shù)不同。進(jìn)入測(cè)試菜單以后，當(dāng)接受到啟動(dòng)檢測(cè)的信號(hào)時(shí)就打開充氣閥和自檢閥對(duì)工件進(jìn)行充氣，充氣時(shí)間結(jié)束系統(tǒng)進(jìn)入平衡等待時(shí)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(hào)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)階段，檢測(cè)階段結(jié)束后系統(tǒng)將檢測(cè)的結(jié)果顯示到液晶上并保留結(jié)果數(shù)據(jù)，同時(shí)打開排氣閥將檢測(cè)氣體排出。一次完整的檢測(cè)過程就結(jié)束，系統(tǒng)準(zhǔn)備下一次檢測(cè)。系統(tǒng)的充氣時(shí)間，平衡時(shí)間和測(cè)量時(shí)間均由測(cè)試

31、程序設(shè)定。當(dāng)檢測(cè)了一定數(shù)量的工件后就可以選擇將一段時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果輸出送給上位機(jī)，系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口。2.3.2 系統(tǒng)的總體框圖at89s52 單 片 機(jī)鍵盤輸入壓力表泄漏閥溫度變送器通信模塊充氣閥自檢閥被測(cè)工件a/d液晶顯示模擬調(diào)壓器壓力變送器壓縮氣源a/d圖2-4 系統(tǒng)總框圖 圖2-4給出的只是系統(tǒng)的一個(gè)工作模型，圖描述的是系統(tǒng)的實(shí)際原理框圖。對(duì)單片機(jī)而言，系統(tǒng)要求檢測(cè)兩路模擬量的輸入，同時(shí)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。2.4 本章小結(jié) 本章介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。對(duì)直壓法和差壓法進(jìn)行分析差壓法測(cè)量精度高但差壓法測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、差壓傳感器成本高直壓法測(cè)

32、量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是測(cè)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(jī)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(jī)界面和串口通訊等關(guān)鍵技術(shù)的選取原則。3 系統(tǒng)的硬件電路3.1 壓力信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)3.1.1 壓力變送器的選擇 壓力信號(hào)的采集是整個(gè)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(duì)系統(tǒng)的微小壓力變化就能檢測(cè)出來(lái)。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(cè)精度，壓力傳感器的精度必須更高。而且壓力量程必須滿足2/20ma的系統(tǒng)量程范

33、圍。 本系統(tǒng)采用的是德國(guó)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(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)g1/2或g1/4壓力接口，壓力量程為2/20ma，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)兩線制。供電電源為vdc1236v，典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闅怏w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。3.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器ads1110（1）a/d轉(zhuǎn)換器ads1110總體介紹 a/d轉(zhuǎn)換器ads1110是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)a/d轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，可每秒采樣8、12或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器pga。提供高達(dá)8倍的增益，允許對(duì)更小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且具有高分辨率。在單

34、周期轉(zhuǎn)換方式中，在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。表3-1 最小碼和最大碼采樣速率（sps）位數(shù)最小值最大值816-32768327671615 -16864163833214-81928191使用需要熟悉輸出碼的計(jì)算方式。輸出碼是一個(gè)標(biāo)量值除電路削波以外，它與兩個(gè)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。 (3-1)對(duì)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(fù)輸入電壓以及vdd而言，輸出碼由以下表達(dá)式計(jì)算出。本課題選用采樣速率8，輸出碼位數(shù)為16位。

35、（2）a/d轉(zhuǎn)換器ads1110使用 i2c接口通過一個(gè)內(nèi)部集成電路i2c接口通信。接口是一個(gè)線漏極開路輸出接口，支持多個(gè)器件和主機(jī)共用一條總線到?？偩€上的通信通常發(fā)生在兩個(gè)器件之間，其中一個(gè)作為主機(jī)，另一個(gè)從機(jī)。主機(jī)和從機(jī)都能讀和寫，但從機(jī)只能依主機(jī)的方向工作。一些器件既可作為主機(jī)又可作為從機(jī)，但只能作為從機(jī)。 一條i2c總線由兩條線路組成:sda數(shù)據(jù)線和scl時(shí)鐘線。sda傳送數(shù)據(jù)，scl 是時(shí)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(shí)，驅(qū)動(dòng)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(lái)，線被高，然后變低。線上的脈沖以

36、時(shí)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(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線主機(jī)總是驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘線。絕不會(huì)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗荒苡米髦鳈C(jī)，在中只是一個(gè)輸入端。多數(shù)時(shí)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(shí)，總線被激活，只有主機(jī)才能開始一次通信。為了開始通信，主機(jī)在總線上形成一個(gè)開始條件，通常只有在時(shí)鐘線為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線才允許改變狀態(tài)。如果在鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線改變了狀態(tài)，則形成一個(gè)開始條件，或相反地形成一個(gè)停止條件。始條件是當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線從高到低的跳變停止條件則是當(dāng)時(shí)鐘線為高

37、電平時(shí)，數(shù)據(jù)線從低到高的跳變。在主機(jī)發(fā)送開始條件以后，它還會(huì)發(fā)送一個(gè)字節(jié)，表明它想與哪一個(gè)從機(jī)通信，該字節(jié)稱作地址字節(jié)。i2c總線上的每個(gè)器件都有一個(gè)獨(dú)特的7位地址以做出響應(yīng)。主機(jī)以地址字節(jié)發(fā)送一個(gè)地址，并且還發(fā)出一位以表明是對(duì)從機(jī)讀出還是寫入。對(duì)于在i2c總線上發(fā)送的每個(gè)字節(jié)，無(wú)論是地址還是數(shù)據(jù)，均以一個(gè)應(yīng)答位作為響應(yīng)。在主機(jī)發(fā)送完一個(gè)字節(jié)即8位數(shù)據(jù)到從機(jī)后，它停止驅(qū)動(dòng)sda線，并等待從機(jī)對(duì)該字節(jié)的應(yīng)答。從機(jī)將sda線拉低以對(duì)該字節(jié)進(jìn)行應(yīng)答，然后主機(jī)發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖以對(duì)該應(yīng)答位定時(shí)。類似地當(dāng)主機(jī)完成對(duì)一個(gè)字節(jié)的讀取時(shí)，則將sda線拉低以對(duì)從機(jī)做出應(yīng)答，然后發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)該位定時(shí)。在一個(gè)應(yīng)

38、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(jī)試圖對(duì)其尋址，它不會(huì)接收到應(yīng)答信號(hào)，因?yàn)樵摰刂诽帥]有器件將sda線拉低。在主機(jī)完成與從機(jī)的通信后，它會(huì)發(fā)出一個(gè)停止條件。在發(fā)出停止條件后，總線再次空閑。主機(jī)也可發(fā)出另一個(gè)開始條件，在總線處于激活狀態(tài)時(shí)，若發(fā)出一個(gè)開始條件則要求一個(gè)重復(fù)的開始條件。ads1110的i2c地址ads1110的i2c地址是1001aaa，其中aaa是出廠時(shí)的默認(rèn)設(shè)置。ads1110有8種不同的類型，每種類型都有一個(gè)不同的i2c地址。例如，ads1110a0的地址為1001000，而ads1110a3的地址則為1001011.對(duì)ads111

39、0的讀操作用戶可從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(diǎn)，要對(duì)ads1110尋址，并從器件中讀出三個(gè)字節(jié)。前面的兩個(gè)字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個(gè)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(gè)字節(jié)，如果只需要 輸出寄存器的內(nèi)容則只需讀兩個(gè)字節(jié)。從ads1110中讀取多于三個(gè)字節(jié)的值是無(wú)效的，從第四個(gè)字節(jié)開始的所有字節(jié)將為ffh。 對(duì)ads1110的寫操作用戶可寫新的內(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(diǎn)，要對(duì)ads1110尋址以進(jìn)行寫操作，并對(duì)ads1110寫入一個(gè)字節(jié)。這個(gè)字節(jié)被寫入配置寄存器中，對(duì)ads1110寫入多個(gè)字節(jié)到ad

40、s1110無(wú)效，ads1110將忽略第一個(gè)字節(jié)以后的任何輸入字節(jié)，并且它只對(duì)第一個(gè)字節(jié)做出應(yīng)答。3.1.3 ads1110與單片機(jī)的硬件連接圖3-1 與單片機(jī)連接電路圖 圖3-1與單片機(jī)連接電路圖所示為與單片機(jī)連接電路。因?yàn)楸旧頉]有集成接口電路，因此需要用其接口來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)接口電路，這里選用和兩個(gè)引腳來(lái)模擬總線的兩個(gè)引腳：p1.0作為數(shù)據(jù)腳，它的作用是由主機(jī)和從機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)它以傳送數(shù)據(jù)。p1.1作為時(shí)鐘引腳，由主機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)它，以產(chǎn)生傳送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)通過對(duì)單片機(jī)編程產(chǎn)生。 數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線都需要上拉電阻，因?yàn)榭偩€驅(qū)動(dòng)器是漏極開路驅(qū)動(dòng)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

41、高的電阻功耗較低，但會(huì)延長(zhǎng)總線的轉(zhuǎn)換時(shí)間，限制總線速度阻值較低的電阻，允許總線高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但功耗較高。長(zhǎng)總線的電容高，需要較小的上拉電阻來(lái)補(bǔ)償，電阻不應(yīng)太小，如果電阻太小，總線驅(qū)動(dòng)器可能不能將總線拉低。上拉電阻的典型值一般為1k10k ，本課題采用10k上拉電阻。 3.2 溫度信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)3.2.1 溫度信號(hào)處理電路 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫“范圍的溫度測(cè)量中。圖溫度信號(hào)處理電路用鉑電阻組成的電橋電路被廣泛的應(yīng)用在各種測(cè)溫電路中，但在這種檢測(cè)電路中，平衡電橋中以及鉑電阻的阻值和溫度

42、之間的非線性特性給最后的溫度測(cè)量來(lái)了一定的誤差，所以往往難以達(dá)到較高的指標(biāo)要求。必須使用硬件補(bǔ)償或軟件查表等方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。軟件查表補(bǔ)償方法可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜度，方便器件的選取等優(yōu)點(diǎn)。但是查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償大大的增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)精度的提高幫助有限。本系統(tǒng)采用非平衡電橋結(jié)合模擬校正電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的處理，硬件電路簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)又大大地提高了鉑電阻測(cè)溫的精度，并且考慮到轉(zhuǎn)換器存在一定的死區(qū)，用一個(gè)加法器將系統(tǒng)的輸出信號(hào)提高一個(gè)固定的電平。溫度采集電路如圖所示測(cè)溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，線制連接。線制可以把導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響降到最低，連

43、接如圖3-2所示：圖3-2 溫度采集電路測(cè)溫電路采用典型的鉑電阻電橋電路，3線制連接。3線制可以把導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響降到最低，連接如圖3-2所示。鉑電阻的溫度特性如下:當(dāng)溫度為-780時(shí): (3-2)當(dāng)溫度為0600時(shí): (3-3)本系統(tǒng)主要應(yīng)用溫度在0至100度的范圍內(nèi)測(cè)溫度，所以只考慮鉑電阻在0至600度范圍內(nèi)的溫度特性。設(shè)電橋兩端的輸出電壓分別為v+和v-，導(dǎo)線電阻為r，則: (3-4) (3-5)當(dāng)r116=r117=10kr100=100時(shí)，放大器的輸入電壓為: (3-6)由公式(3-6)可以知道系統(tǒng)3線制連接可以基本消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫電路的影響。將式(3-4)代入式(3-6)

44、得，其中: (3-7) (3-8) 二次項(xiàng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很小，但是為了降低其影響，放大電路加入了一個(gè)正反饋r119，其值為150k。正反饋電阻的加入起到了線性化的作用，降低了二次項(xiàng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響溫度在0至100度之間，放大器的輸出k與溫度的關(guān)系可以基本認(rèn)定為線性的。調(diào)整電位器rp103就可以調(diào)節(jié)整個(gè)放大器的放大倍數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)定放大倍數(shù)為50。放大器輸出在經(jīng)過一個(gè)加法器電路輸出: (3-9) vref2的值可以通過調(diào)整電位器rp104來(lái)進(jìn)行調(diào)整，其目的是消除a/d在零點(diǎn)采樣不精確所帶來(lái)的誤差。通過加法器電路以后，即使溫度為0也能保證a/d的輸入電壓為一較高的固定值。溫度處理信號(hào)調(diào)試時(shí)，首先用

45、100的電阻替換rt，通過調(diào)節(jié)rp104使溫度信號(hào)的輸出值為400mv，然后用138.5 (100時(shí)鉑電阻的阻值)的電阻替換rt，通過調(diào)節(jié)電位器rp103使溫度信號(hào)的輸出值為1700mv。溫度信號(hào)的輸出值400mv到1700mv可以近似線形的代表0到100度的溫度值。此測(cè)溫電路共需要兩組精密電源為其供電，tl431就是能同時(shí)提供兩組穩(wěn)定電壓輸出的穩(wěn)壓管，12v電源流經(jīng)限流電阻r126后在tl431的1腳產(chǎn)生7.5v的穩(wěn)壓輸出，再流經(jīng)限流電阻r114和r115后在2腳產(chǎn)生一個(gè)2.5v的穩(wěn)壓輸出。為了提高系統(tǒng)的負(fù)載能力，將這兩組電源的輸出分別接到lm324組成的射隨電路，在lm324的1腳輸出一個(gè)

46、穩(wěn)定的7.5v穩(wěn)定電壓，在8腳輸出一個(gè)2.5v的穩(wěn)定電壓。3.2.2 溫度處理信號(hào)與單片機(jī)的連接電路由于ads1110支持i2c總線協(xié)議，可以同時(shí)連接個(gè)從設(shè)備。所以溫度信號(hào)經(jīng)過處理后直接送入ads1110中, ads1110的輸出信號(hào)連入系統(tǒng)的虛擬i2c總線上p1.0和p1.1。溫度信號(hào)采集電路與單片機(jī)的接口與壓力信號(hào)的接口基本相同，如圖所示:+5vvin+gndsclvin-sdavddvtagnd+5vr110kr20.1up1.0ads1110圖3-3 溫度信號(hào)與單片機(jī)的連接電路3.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 人機(jī)界面主要是鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊，是嵌入式設(shè)計(jì)的常用外設(shè)模塊。3.3.1 鍵盤

47、輸入模塊的設(shè)計(jì) 由于需要的按鍵數(shù)目較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成行列式鍵盤，鍵值以掃描的形式輸入單片機(jī)四。掃描式鍵盤需占用單片機(jī)較多的輸入輸出口線，使用可編程芯片來(lái)擴(kuò)展。用外8155h擴(kuò)展的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖所示:8155圖3-4 鍵盤電路 鍵盤電路，圖中的行線和列線均通過電阻接，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所有的行線和列線都斷開，行線pc0-pc2呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一個(gè)鍵閉合時(shí)，該鍵所對(duì)應(yīng)的行線與列線短路。例如，6號(hào)鍵按閉合時(shí)，行線pc0和列線pa6短路，此時(shí)pa6的電平由pc0的電平所決定，如果把行線規(guī)定為微機(jī)的輸出口，列線接到微機(jī)的輸入口，則在微機(jī)的控制下，使行線線pc0為低電平(0)，其余兩根行線pci、pc

48、2都為高電平。然后微機(jī)通過輸入口讀列線的狀態(tài)，如果pa0pa7都為高電平，則pc0這一行上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的列線和pc0相交的鍵處于閉合狀態(tài);如果pc0這一行上沒有鍵閉合，接著使線pc1為低電平，其余行線為高電平。用同樣的方法檢查pc1這一行上有無(wú)鍵閉合，以此類推，然后使行線pc2為低電平，其余的行線為高電平，檢查pc2這一行上是否有鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對(duì)鍵盤的一次掃描。cpu對(duì)鍵盤的掃描可以采取程序控制的隨機(jī)方式，cpu在空閑時(shí)掃描鍵盤，也可以采取定時(shí)控制方式，每隔一定的時(shí)間，cpu對(duì)鍵盤掃描一次，cpu可以隨時(shí)響應(yīng)鍵盤輸入請(qǐng)求。

49、也可以采用中斷方式，當(dāng)鍵盤上有鍵閉合時(shí)，向cpu請(qǐng)求中斷，cpu響應(yīng)鍵盤輸入中斷請(qǐng)求，對(duì)鍵盤掃描，以識(shí)別那一個(gè)鍵處以閉合狀態(tài)，并對(duì)鍵輸入信息做出相應(yīng)處理。cpu對(duì)鍵盤上閉合鍵鍵號(hào)的確定，可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計(jì)算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表求得。當(dāng)鍵盤有按鍵閉合時(shí)，閉合和斷開的過程中會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生。抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短和開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms，中間狀態(tài)為穩(wěn)定地閉合期，其時(shí)間由按鍵動(dòng)作所確定，一般為十分之幾秒到幾秒，為了保證cpu對(duì)鍵盤的閉合做一次處理并且僅一次處理，在軟件中必須設(shè)置去抖動(dòng)，在鍵的穩(wěn)定閉合或斷開時(shí)讀鍵盤的狀態(tài)，并判斷出鍵由閉合到釋放時(shí)，再作鍵輸入處理.3.3.2

50、 液晶接口電路的設(shè)計(jì) 液晶模塊與單片機(jī)的接口電路如圖所示:at89s52圖3-5 液晶模塊與單片機(jī)的接口電路 單片機(jī)利用數(shù)據(jù)與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問形式來(lái)控制液晶模塊。單片機(jī)數(shù)據(jù)口p0口直接與液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口連接，單片機(jī)的rd，wr作為液晶顯示模塊的讀，寫控制信號(hào)，液晶顯示模塊rst，掛在正負(fù)5上。ce、c/d信號(hào)分別接到單片機(jī)p2.6、p2.1上。液晶模塊就相當(dāng)于單片的外部存儲(chǔ)器一樣，單片機(jī)可以方便的控制數(shù)據(jù)與指令的輸入輸出。液晶的指令代碼入口地址為#8201h，此時(shí)ce為低電平選通，c/d為高電平，為控制命令字的讀寫地址。數(shù)據(jù)入口地址為8000h，此時(shí)ce為低電平選通，c/d也為低

51、電平，為數(shù)據(jù)的讀寫地址。單片機(jī)p2口的最高位p2.7與81c55的使能端連接，高電平為不使能。所以對(duì)液晶的讀寫數(shù)據(jù)與指令代碼的操作必須先封鎖81c55。液晶接口的1，2腳為背光電壓的輸入端。本系統(tǒng)采用現(xiàn)有的液晶背光芯片elp-60，該芯片可以驅(qū)動(dòng)液晶屏，足以滿足本系統(tǒng)的需要。圖液晶與單片機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)采用內(nèi)核的系列單片機(jī)是一種低電壓，高性能位單片機(jī)，片內(nèi)含的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用位中央處理器和存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。有個(gè)引腳，外部雙向輸入輸出端口，同

52、時(shí)內(nèi)含外中斷口，位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，全雙工串行通信口，讀寫口線，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，顯示技術(shù)也隨之不斷前進(jìn)。從早期的發(fā)光二極管顯示到液晶顯示，從段碼式到點(diǎn)陣式再到圖形點(diǎn)陣式，其性能不斷提升，而成本卻日趨降低。 表3-2液晶接口特性管腳號(hào)符號(hào)功能1nc背光輸入腳2nc背光輸入腳3fg框架4vss地5 vdd電源電壓6vee液晶電壓7wr寫數(shù)據(jù)8rd讀數(shù)據(jù)9ce片選信號(hào)10c/d寫命令/寫數(shù)據(jù)11rst讀命令/讀數(shù)據(jù)1219d0d7數(shù)據(jù)線20fs字選線模塊應(yīng)用特點(diǎn)：

53、（1）本模塊可直接適配于8080mpu的接口信號(hào)。（2）可以設(shè)置字符方式與圖形方式的合成顯示即字符顯示區(qū)的內(nèi)容和圖形顯示區(qū)的內(nèi)容通過模式設(shè)置同時(shí)顯示在屏幕上、字符方式下的特征顯示以及可以像以那樣屏拷貝操作。（3）允許mpu隨時(shí)訪問顯示緩沖區(qū)，甚至可以進(jìn)行位操作。（4）顯示字符的字體點(diǎn)陣。（5）對(duì)模塊的操作都要進(jìn)行狀態(tài)字的判別。（6）復(fù)位信號(hào)將把行、列計(jì)數(shù)器和顯示寄存器清零，并且關(guān)顯示。復(fù)位后可用開。（7）顯示指令完整地恢復(fù)顯示屏上原有的畫面內(nèi)容。每次上電后，有必要進(jìn)行一次軟復(fù)位。顯示窗口長(zhǎng)度(列)cl己由硬件設(shè)置為40(字符數(shù))，即列數(shù)據(jù)傳輸個(gè)數(shù)的最大值(超出屏幕部分不顯示)。（8）顯示窗口寬

54、度行已由硬件設(shè)置為128行。（9）本模塊內(nèi)建128種字符見附錄，并允許用戶在顯示緩沖區(qū)內(nèi)任意設(shè)置一個(gè)區(qū)域作為外擴(kuò)的字符發(fā)生器cgram。（10）顯示緩沖區(qū)可分為文本顯示區(qū)、圖形顯示區(qū)和cgram區(qū)。文本顯示區(qū)和圖形顯示區(qū)的起始地址sad都對(duì)應(yīng)著顯示屏左上角位置的顯示位。在文本顯示區(qū)一個(gè)單元對(duì)應(yīng)屏上的一個(gè)字符位點(diǎn)陣在圖形顯示區(qū)一個(gè)單元?jiǎng)t對(duì)應(yīng)屏上的點(diǎn)陣顯示位。（11）光標(biāo)可在字符方式下啟用，此時(shí)光標(biāo)與所在位的字符通過邏輯“或”顯示。（12）本模塊的控制指令有的需要參數(shù)，參數(shù)的輸入在指令代碼輸入之前。（13）文本特征方式只能用在文本模式中此時(shí)文本區(qū)和圖形區(qū)都必須打開。3.4 通訊模塊的設(shè)計(jì)3.4.1

55、 串口通訊協(xié)議國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在開放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)中定義了各層次的網(wǎng)絡(luò)參考模型，它們分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。每一層負(fù)責(zé)直接使用下層向它提供的服務(wù)，并完成自身的功能，然后向上層提供“增值”后的功能，即數(shù)據(jù)和控制信息從發(fā)送端各層由上至下傳送至物理媒體，然后接收方再?gòu)南碌缴辖?jīng)過各個(gè)層傳遞到達(dá)目的地，是七層參考模型不是通訊標(biāo)準(zhǔn)，它只給出一個(gè)不會(huì)由于技術(shù)發(fā)展而必須修改的穩(wěn)定模型，使有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議能在模型定義的范圍內(nèi)開發(fā)和相互配合。串口通信數(shù)據(jù)量少，不需要很復(fù)雜的語(yǔ)法和語(yǔ)意表達(dá)，在端對(duì)端的情況下，路由選擇的問題比較簡(jiǎn)單，因此僅僅選擇實(shí)現(xiàn)了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。接收時(shí)，物理層負(fù)責(zé)從串口的硬件緩沖區(qū)讀取或單片機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路層把物理層讀取來(lái)的數(shù)據(jù)根據(jù)一定的邏輯關(guān)系拼裝成完整的命令，最后是應(yīng)用層來(lái)解釋執(zhí)行由數(shù)據(jù)鏈路層拼裝出來(lái)的命令，并做出響應(yīng)。發(fā)送時(shí)，因?yàn)槲锢韺硬魂P(guān)心數(shù)據(jù)的語(yǔ)法和語(yǔ)義，因此不需要連接層的拼裝功能應(yīng)用層把數(shù)據(jù)直接發(fā)送給物理層。這樣采用分層處理的方法還有個(gè)好處是底層模塊獨(dú)立于高層消息處理，最大限度地降低軟件對(duì)硬件的依賴性