[摘要]设计了一款基于压力检测技术的智能气密性检测仪，对被测物体进行充气的同时，利用压力检测传感器实时检测气体压力；当压力到达一定值后实时停止充气，然后利用压力传感器检测是否有压力衰减，以此为依据判断被测物体的气密性能。整个检测系统的硬件以51单片机为核心模块，采用高精度MPX4115压力检测传感器实时检测当前气体压力，通过LCD实时显示当前的压力值；利用C语言对软件部分进行设计，最后根据设计的硬件和软件，利用Proteus联合仿真软件对系统进行仿真验证，结果表明，设计的单片机气密性检测系统能够很好地实现气密性检测。
[关键词]单片机；压力衰减；气密性
1 前言
随着社会经济的不断发展，检测要求越来越高且越来越复杂，并推动着检测技术快速发展。在气密性检测技术方面，尽管国内外学者进行了相当多的研究，但快速准确地判断出被测物体的气密性仍然是一个研究难点。目前准确率较高且使用较多的检测方法是气泡法，其主要原理是对被测物体充气，然后将其完全浸入水中，通过水中是否有气泡冒出来检测物体的气密性，这种方法虽然相对简单，但是局限性大，既不能判断泄漏的程度，也非常容易受到外界环境的干扰，同时也不符合当前的智能化要求。还有一些作者提出了基于单片机的压差法实现气密性检测的方法，该方法实现了智能检测显示，但是环节较多，成本较高。此外，还有使用氦质谱法实现气密性检测的技术，该技术虽然对泄漏能够准确定量分析，但由于成本太高，不具备推广价值[1]。因此设计一种准确率较高、成本较低、使用快捷高效、智能化的气密检测仪具有较强的现实意义和经济效益。
基于此，本文设计了一款基于直接压力法的气密性检测仪，能够实现对被测物体的智能化气密性检测和泄漏的定量分析，而且成本较低。
2 检测原理设计
本设计对被测物体进行充气，利用压力检测传感器实时检测压力，当气体压力达到一定值后停止充气，单片机通过接受传感器检测到的压力值，在LCD上实时显示，从而对气体的压力值进行实时检测。若气体压力值发生衰减，即说明有泄漏发生，此时，可根据压力的衰减值实时对气体的泄漏量进行计算，计算公式(2-1)，整个系统的检测原理如图2-1所示。
图2-1 检测原理图
QΔ=(ΔP×V)/P×T
(2-1)
ΔP：压力衰减值
V：被测气体体积
P：标准大气值
T：时间
3 系统硬件设计
3.1 系统硬件总图
硬件在整个气压计系统中起着很重要的作用，整个气密性检测系统的硬件系统包括STC89C52最小系统电路、电源电路、压力检测电路、按键电路、AD转换电路，整体硬件框图如图3-1所示。
图3-1 硬件电路图
对单片机的引脚资源分配如下所示：
引脚P1.5到P1.6控制灯光报警电路；
引脚P1.7控制气体发生电路；
引脚P3.5到P2.7控制AD转换电路；
引脚P0口控制LCD数据口，P2.0到P2.2控制LCD命令口。
总体硬件检测电路如图3-2所示。
图3-2 总体硬件检测电路
3.2 STC89C52单片机
本文选择的控制芯片为STC89C52单片机，该单片机性能与其他同类型的芯片比较，优势明显，性能优异，主要体现在以下几方面：一是它升级了中断系统，目前已经是4级结构；二是其内部集成了EEPROM，同时拥有32个IO功能引脚；三是定时和计数器功能比较强大；四是可通过芯片的串口模块实现数据的传送与接受；五是CPU功能比较强大，集成了先进的8位Flash，使得芯片编程非常的方便，同时数据存储速度以及工作速度等得到大幅度提升，最高到35MHz，而这也是这款单片机最突出的特点；六是能够在双工模式下进行工作；七是节能效果非常好，功耗比较低；八是即使CPU不工作，它的相关功能(比如定时器等)仍然可以处在工作状态中；九是由于内部具有掉电数据保护存储器，因此即使出现突然断电等情况，数据也不会丢失，而是被存储起来[2]；十是即使外部频率为0HZ，该芯片仍然可以继续实现逻辑运算。
3.3 压力检测与转换电路
本设计选择MPX4115压力检测传感器作为气压检测仪的压力传感器，它属于电阻传感器，同时也是一种硅压力传感器。该传感器结合了微电子技术，输出值与所加的气压呈线性关系，且输出高精度的模拟电压值。具体的输出关系如式(3-1)。
VOUR=VS(0.01059P_0.009528)±Error
(3-1)
MXP4115传感器有6个引脚，4、5、6引脚为空引脚，引脚1为输出引脚，引脚2为地，引脚3为供电引脚，其检测原理如图3-3所示。
图3-3 压力检测传感器
要实现对气压值的检测，还需要将输出信号为模拟的电压信号进行模数转换，使得单片机能够采集到对应的数字信号。因STC89C52单片机内部没有模拟采样功能，为识别MQ2输出的信号，需要借助外部模拟芯片进行转换。实践中，AD0832是51单片机控制系统最常使用的AD转换器，其与单片机、压力检测传感器的连接如图3-3所示，从而实现对模拟电信号的采集。采集转换公式为(3-2)所示：
D采样数字量=
×255
(3-2)
3.4 显示电路设计
本设计选择LCD1602为显示模块，根据实际的显示功能需求，选择了一款液晶显示模块作为显示屏，在众多的显示模块中，选择了一款性价比相对较高的液晶显示模块LCD1602，该液晶显示模块的字符显示功能非常强大，几乎能显示目前的全部字符，所以该显示模块也称为字符型显示器，LCD1602目前有两种不一样的结构，一种是5X7显示模型，另外一种是5X11显示模型，但是这两种结构都属于电位字符，两种结构都是上下两行显示，能够实现字符之间的行距以及点距，使得显示功能清晰[3]。
4 系统软件设计
4.1 主程序设计
硬件是软件的载体，软件通过硬件对输入输出进行控制，本设计采用C语言在KEIL环境下对主程序和子程序进行设计，主程序是程序执行的主体程序，主要实现对各个模块的初始化和调用各个子程序，无限循环，具体的主程序流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序流程图
首先对各个部分进行初始化，进行while循环，调用AD子函数读取模拟电压值，然后根据MPX4115压力传感器的压力转换规则对检测到的数据进行转换处理，再调用数据判断子函数，根据检测到的压力值实现对灯光报警控制以及充气模块的控制，最后调用LCD显示子函数在LCD上进行显示。
4.2 AD数据读取子函数设计
AD子函数，以流程图形式对AD子函数进行叙述，流程图如图4-2所示。AD检测子程序，主要是启动AD转换功能，对距离模拟量的值进行采样，其流程图如图4-2所示。
图4-2 AD检测子程序
如图4-2所示的AD数据采样子程序，开启AD转换后，不断检测转换标志位，标志位置0后表示转换序列完成，将模拟电压值转换为数字量，转换标准如式(4-1)。
D采样值=
×255
(4-1)
将压力传感器输出的电压值按照上面的公式转换为数字量之后，得到一个压力值，通过AD的数据传送口将转换得到的数据传送给单片机的P1口，单片机直接读取P1口数据就可以实现对压力值读取，进行压力比较。
5 系统仿真与结论
5.1 仿真实验结果
本设计在Proteus与Keil软件联合的情况下对所设计的硬件和软件进行了仿真[4]，结果显示设计满足了检测要求，在Proteus环境下搭建的仿真电路如图5-1所示。
图5-1 搭建仿真图
5.2 仿真实验结果
根据设计的硬件和软件，在Proteus环境下进行了仿真实验，对设计的正确性进行验证，在设计的图上进行了一系列实验验证，气压计检测系统的正确性，系统进行检测时仿真结果如图5-2所示。
在仿真中对于加气模块采用按键进行控制充气，通过按键对压力值进行调节，对实际中的其他压力值进行仿真模拟。
图5-2 系统正常显示结果
图5-3 调节压力值图
通过上述的三组实验，设计的整个系统能够很好地实现对压力值的检测与显示，通过按键模块对其他模块能够实现实时充气，显示模块能够实时地显示当前的压力检测值，当压力值高出设定值后灯光报警提示停止充气，上述实验表明设计的气密性检测仪能够很好地对压力进行检测，实现了对被测物体气密性的检测。
