基于STC8A單片機(jī)的汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

謝愛華，袁海兵

(1.湖北省碾盤山水利水電樞紐工程建設(shè)管理局，湖北武漢 430062；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

0 引言

目前，汽車油箱密封性檢測按測試手段分為兩大類，一類為水沒式泄漏檢測法(又稱濕式浸水法)，即向工件腔內(nèi)充入一定壓力的氣體，將其浸入水或肥皂液中，目測肥皂泡或水中氣泡來判斷工件是否有泄漏及泄漏的程度，這種方法測試效率低，受主觀因素影響較大，同時(shí)用該方法測試后，必須對工件進(jìn)行干燥和防銹處理。另一類為干式泄漏檢測法，即先向工件腔內(nèi)充入一定壓力的氣體，通過壓力變化來判斷工件是否泄漏，并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)壓力的變化值來計(jì)算其泄漏率。干式檢測法其測試效率高，不受主觀因素影響，而且測試后不需要對工件進(jìn)行其他處理，克服了水沒法的缺點(diǎn)，同時(shí)，干式檢測法可定量評測工件的泄漏狀態(tài)，不足之處是在通常情況下無法確定發(fā)生泄漏的部位[1-2]。國外主要有法國ATEQ、日本長野、美國的辛辛那提等公司制作有專用的密封測試儀，采用專用的氣動(dòng)換向閥，儀表內(nèi)部泄漏量小、精度高，但價(jià)格昂貴[3-5]。

針對汽車油箱的密封性檢測，利用宏晶公司的STC8A4K16S2A12單片機(jī)，開發(fā)一種價(jià)格低，能滿足汽車油箱密封檢測精度、生產(chǎn)線節(jié)拍等要求的檢測裝置，具有實(shí)用價(jià)值。

1 主要技術(shù)參數(shù)

汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺，需實(shí)現(xiàn)檢測動(dòng)作流程控制和被測對象的數(shù)據(jù)采集、處理、結(jié)果顯示、合格品判斷等主要功能，主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)工作節(jié)拍小于2 min；

(2)壓力傳感器的重復(fù)測量誤差小于0.05 MPa；

(3)油箱測量體積范圍為40～80 L；

(4)能補(bǔ)償密封性檢測試驗(yàn)臺氣動(dòng)換向閥、管道接頭等泄漏、氣體溫度、油箱充氣膨脹等因素引起的氣壓波動(dòng)；

(5)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)記錄等功能。

2 檢測方案

汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺控制器采用宏晶公司的STC8A4K16S2A12單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對被測對象的數(shù)據(jù)采集與過程控制，STC8A4K16S2A12是宏晶公司于2017年推出采用8051核的ISP(In System Programming)可編程芯片，片內(nèi)含16 kB Flash程序存儲器，4 kB RAM存儲器，48 kB EEPROM存儲器，芯片內(nèi)部集成15路12位ADC轉(zhuǎn)換,集成RC振蕩器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)，能滿足汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺控制要求。檢測系統(tǒng)主要由差壓傳感器、鍵盤輸入接口、檢測指示燈等構(gòu)成，如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)集成度高、成本低。

圖1 檢測系統(tǒng)組成框圖

被測油箱在輸送線上輸送到指定工位并固定，同時(shí)向標(biāo)準(zhǔn)油箱和被測油箱充入壓縮氣體，氣壓穩(wěn)定30 s，通過單片機(jī)采集差壓傳感器測量值，通過比較被測油箱與標(biāo)準(zhǔn)油箱之間的壓力差值，判斷被測油箱的密封性能。

在汽車油箱密封性檢測過程中，原理是利用氣體壓力變化判斷油箱密封性能，為減少密封性檢測試驗(yàn)臺內(nèi)部氣動(dòng)換向閥泄漏、管道接頭泄漏、氣體溫度變化、油箱膨脹等因素對測量結(jié)果的干擾，通過比較被測油箱與標(biāo)準(zhǔn)油箱的氣壓差，在相同的測量條件和環(huán)境下，試驗(yàn)臺內(nèi)部泄漏、氣體溫度變化、油箱膨脹等因素對被測油箱與標(biāo)準(zhǔn)油箱的影響相同，干擾能相互抵消，不會影響差壓傳感器的輸出，從而提高汽車油箱密封性檢測的可靠性。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 檢測氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

汽車油箱密封性檢測通過氣體壓力變化來進(jìn)行判斷，檢測氣動(dòng)回路如圖2所示。

圖2 檢測氣動(dòng)回路

壓縮氣體經(jīng)換向閥4、5、9進(jìn)入油箱后，經(jīng)壓力傳感器10判斷是否達(dá)到檢測氣壓，達(dá)到測量壓力時(shí)，關(guān)閉電磁換向閥5和9，保壓30 s，經(jīng)差壓傳感器6檢測被測油箱與標(biāo)準(zhǔn)油箱間的壓力差，判斷被測油箱密封性能，經(jīng)指示燈給出檢測結(jié)果，檢測完成后排出油箱內(nèi)壓縮氣體。檢測過程如圖3所示。

圖3 汽車油箱密封性檢測過程

3.2 壓力、差壓傳感器的選擇與接口

通過氣壓傳感器，檢測油箱壓力是否在正常工作范圍內(nèi)，若不在正常范圍之內(nèi)，汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺將停止檢測。差壓傳感器判斷被測油箱與標(biāo)準(zhǔn)油箱之間的氣壓差，進(jìn)而判斷被測油箱的密封性，根據(jù)試驗(yàn)，選擇某電子科技有限公司的CYB13I型壓力傳感器與CYB22系列差壓傳感器，主要性能參數(shù)如下：測量范圍為0～2 MPa；線 性 度為0.1%；輸出信號為 0～5 V。

STC8A4K16S2A12芯片內(nèi)部集成了15路12位ADC轉(zhuǎn)換通道,采樣速率最高可達(dá)800 k/S，分別采用P0.0/ADC8、P0.1/ADC9引腳接壓力與差壓傳感器，能夠滿足汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺的測量精度和采樣速度要求。

3.3 參數(shù)存儲

測試系統(tǒng)中需保存工作壓力、壓差臨界值、保壓時(shí)間、檢測數(shù)量等參數(shù)，并具有掉電保護(hù)功能，STC8A4K16S2A12芯片內(nèi)部集成了48KB EEPROM存儲器，測量系統(tǒng)將相關(guān)參數(shù)直接存入STC8A4K16S2A12芯片內(nèi)部的EEPROM存儲器，編程簡單，相對外部存儲方便可靠。

3.4 顯示與鍵盤接口設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2位LED顯示器，能顯示檢測壓力與工作狀態(tài)，采用STC8A4K16S2A12單片機(jī)的P1端口與P3端口進(jìn)行控制，采用動(dòng)態(tài)刷新的方式對2位LED顯示器進(jìn)行控制。

系統(tǒng)采用STC8A4K16S2A12單片機(jī)引腳P3.3—P3.7實(shí)現(xiàn)2×3行列式按鍵接口，能完成以下功能：

(1)通過按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)充氣、測試；

(2)可設(shè)置壓力值，充氣、保壓等工作時(shí)間；

(3)可對充氣時(shí)間、保壓時(shí)間、檢測時(shí)間、檢測公差值、檢測上限值、檢測下限值等進(jìn)行調(diào)整。

顯示與鍵盤接口電路如圖4所示。

圖4 顯示與鍵盤接口電路

3.5 檢測試驗(yàn)臺面板設(shè)計(jì)

檢測試驗(yàn)臺操作面板如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺操作面板

各部分功能如下：

(1)合格/不合格指示燈：顯示檢測結(jié)果。

(2)開始檢測：按下表示試驗(yàn)開始。

(3)參數(shù)設(shè)定：設(shè)置時(shí)間、壓力等參數(shù)。

① 充氣時(shí)間(s)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F1。

② 保壓時(shí)間(s)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F2。

③ 測試時(shí)間(s)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F3。

④ 測試機(jī)檢測公差值(MPa)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F4。

⑤ 測試機(jī)檢測上限值(MPa)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F5。

⑥ 測試機(jī)檢測下限值(MPa)：參數(shù)設(shè)定時(shí)LED數(shù)碼管顯示F6。

(4)按鍵↑：在設(shè)定數(shù)值時(shí)，按下起增加作用；在子菜單界面時(shí),按下顯示上一級子菜單。

(5)按鍵↓：設(shè)定數(shù)值時(shí)，按下起減小作用；在子菜單界面時(shí)，按下顯示下一級子菜單。

(6)按鍵確定 ：按下表示輸入有效。

(7)按鍵取消 ：按下表示輸入無效。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用Keil C開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)軟件分為兩部分：定時(shí)中斷服務(wù)程序和主程序。

利用STC8A4K16S2A12內(nèi)部16位定時(shí)器產(chǎn)生20 ms的定時(shí)中斷，每中斷一次采樣壓力一次，為防止壓力波動(dòng)，連續(xù)采樣10次，采用平均壓力值作為有效值。

主程序包括：鍵盤掃描、LED數(shù)碼管刷新、氣動(dòng)換向閥控制、壓力AD轉(zhuǎn)換等功能模塊。主程序中的時(shí)間延時(shí)，如鍵盤消除抖動(dòng)延時(shí)，LED數(shù)碼管刷新時(shí)間，利用STC8A4K16S2A12單片機(jī)產(chǎn)生的1 ms定時(shí)為基準(zhǔn)，采用軟件變量記錄中斷次數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)間延時(shí)，這種方法提高了主程序的掃描速度。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了以STC8A4K16S2A12單片機(jī)為控制器的汽車油箱密封性檢測試驗(yàn)臺，利用氣體壓力差對汽車油箱密封性進(jìn)行檢測，具有參數(shù)設(shè)置、檢測報(bào)警、統(tǒng)計(jì)件數(shù)等功能，具有成本低、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，檢測試驗(yàn)臺能提高汽車油箱密封性檢測效率。目前，該試驗(yàn)臺在東風(fēng)專用汽車零部件有限公司運(yùn)行半年來，穩(wěn)定可靠，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。