基于单片机的气密性检测仪

基于dsPIC单片机的气密性检测仪

1 前言

气密性检测也称泄漏检测，密封件的气密性能是影响产品质量的重要因素之一，因此，在汽车、空调、冰箱等许多行业中，气密性检测是不少重要的零部件和总成，如缸体、缸盖、发动机总成、制冷系统等，在生产过程中的一个必检项目。气密性检测的传统方法有气泡法、直接压力法、氦质谱法等。气泡法直观，但测试效率低，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；直接压力法结构简单，但精度低；氦质谱法精度高，但成本过高。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。为此，设计了以dsPICPIC30F6012数字信号处理器为核心的差压泄漏检测系统，实现了快速高效、高精度的气密性自动化检测。

2 工作原理

差压泄漏检测采用高精度的差压传感器,

测试标准件与被测件的压力差。测试时,标准件和被测件同时充入相同压力的空气,先使整个气路系统达到平衡。如果被测件有泄漏,则平衡被打破,由差压传感器检测出两端因泄漏而产生的压差。根据理想气体状态平衡方程可推出泄漏率和压差之间的关系公式[1]：

差压泄漏检测过程大致分为充气、平衡、测量、排气四个阶段。充气阶段：阀1、阀2都打开，气源充至规定压力；平衡阶段：阀1关闭，阀2打开，这一阶段提供气体稳定和热交换时间，使充气阶段的波动平稳下来。平衡阶段结束时，标准件和被测件内压力值相等；测量阶段：阀1和阀2都关闭，若工件有泄漏，则其内的压力降低，产生的压差可有差压传感器测得，压差的值超过规定的门槛值，工件就不合格，由压差的值可以求得泄漏率；排气阶段：把工件中的气体排入大气，常用松堵工件来排气。差压检测原理图见图1。

在一个完整的检测周期内，压力、温度和时间的大致关系见图2，由于标准件和被测工件材料导热、有效传热面积、内容积的影响，二者的温度变化不一定相同，引起二者的压力变化也会不同，须将由温度影响引起的压差变化从实际测试结果

中除去，由温度引起的压差变化关系式[2]：

3 系统硬件设计

3.1系统组成

系统硬件原理框图见图3。主要由测量部分、信号调理、信号处理和输出显示等部分组成。由键盘对控制参数进行设置，压力信号和温度信号经调理后送到dsPIC30F6012，经单片机处理后进行显示、打印、声光报警等，并通过串行口与上位机通信以便对数据进行查询和分析处理。

图3系统硬件原理框图

3.2 dsPIC30F6012单片机

本系统选用Microchip公司推出的单片机与DSP结合的dsPIC30F6012。该芯片带有16通道的12位A/D，最大转换速率为200ksps，能够确保测量精度；具有强大的DSP演算能力，可对各种DSP算法进行处理，运算速度最高可达30MIPS，与其它的DSP的指令集相比，它只有84条基本指令且多为单周期，大大简化编程效率；拥有144K字节的闪存程序空间，8K

RAM，

4K片内EEPROM，满足编程需要；内嵌有SPI、UART、I2C、CAN等多种接口模块，在降低功耗的同时也降低了外围电路的复杂程度。

3.3 差压传感器

差压传感器是差压检测的重要器件，其精度，耐压性能和响应速度都是直接影响检测系统的重要因素。本系统采用法国KIMO公司生产的CP100系列数字显示微差压变送器，

它是通过压阻式原理工作的，当压力变化时电压值发生相应变化，经过检测电路后转换成线性的直流电压或电流信号。它具有0-10V

和4-20mA的标准输出，5-digit

LCD显示，可以直接读出压力值；精度为±1.5%读数±3Pa，耐压25000Pa，响应时间1/e（63％）0.3秒；同时，CP100内部已进行了温度补偿，大大提高了温度性能和长期稳定性。

3.4 温度传感器

采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器[3]DS18B20。具有“一线总线”接口，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，占用端口少同时提高了系统的抗干扰能力；测温范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，可实现高精度测温；宽电压范围：3.0~5.5V，在寄生电源方式下可有数据线供电，使系统设计更灵活、方便。

3.5 显示模块

液晶显示器采用飞利浦公司具有标准I2C总线的低功耗LCD驱动器PCF8576。该芯片具有40个段输出和4个背极输出，可完成最大为160个段的LCD显示；其内部设置的显示RAM以及子地址的自动增量和显示方式可实现自动切换,使其通信控制量减少到最小；通过I2C总线接口,与dsPIC30F6012直接相连，最大限度地减少了显示系统的开销。PCF8756与单片机的接口电路如图4。

图4 PCF8576与dsPIC30F6012的接口电路

4 系统软件设计

系统总体采用模块化设计，易于调试和维护。整个程序包括：系统初始化，数据采集，数据处理，键盘扫描，显示驱动和通信等程序模块。其中对采集的压力信号，采用最小二乘拟合压力曲线；对采集的温度信号，用温度补偿程序对由其引起的结果偏差进行修正。主程序流程图见图5。

图5 主程序流程图

5 结束语

整个系统以Microchip公司推出的dsPICPIC30F6012数字信号处理器为核心，采

用高精度微差压变送器、温度传感器分别测量压差和温度，并利用温度补偿技术对温度引起的结果偏差进行修正，大大提高了气密性检测仪的检测效率和测量精度，此外还具有体积小，功能完善，成本低等优点。

本文作者创新点：气密性检测仪在硬件上以dsPIC单片机为控制核心，结合高精度的微差压传感器、温度传感器，软件上采用温度补偿程序对测量过程中温度变化引起的偏差修正，不仅体积小便于携带，而且操作简单、检测快捷、稳定性好、测量精度高，易于在生产线上实现自动化检测，克服了传统的泄漏检测方法中的效率低，精度不高等缺点。