基于STC8A單片機的汽車油箱密封性檢測試驗臺設計

謝愛華，袁海兵

(1.湖北省碾盤山水利水電樞紐工程建設管理局，湖北武漢 430062；2.湖北汽車工業學院機械工程學院，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，同時用該方法測試后，必須對工件進行干燥和防銹處理。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，并根據單位時間內壓力的變化值來計算其泄漏率。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行其他處理，克服了水沒法的缺點，同時，干式檢測法可定量評測工件的泄漏狀態，不足之處是在通常情況下無法確定發生泄漏的部位[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，采用專用的氣動換向閥，儀表內部泄漏量小、精度高，但價格昂貴[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，開發一種價格低，能滿足汽車油箱密封檢測精度、生產線節拍等要求的檢測裝置，具有實用價值。

1 主要技術參數

汽車油箱密封性檢測試驗臺，需實現檢測動作流程控制和被測對象的數據采集、處理、結果顯示、合格品判斷等主要功能，主要技術參數如下：

(1)工作節拍小于2 min；

(2)壓力傳感器的重復測量誤差小于0.05 MPa；

(3)油箱測量體積范圍為40～80 L；

(4)能補償密封性檢測試驗臺氣動換向閥、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；

(5)實現自動檢測、結果顯示、數據記錄等功能。

2 檢測方案

汽車油箱密封性檢測試驗臺控制器采用宏晶公司的STC8A4K16S2A12單片機，實現對被測對象的數據采集與過程控制，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，片內含16 kB Flash程序存儲器，4 kB RAM存儲器，48 kB EEPROM存儲器，芯片內部集成15路12位ADC轉換,集成RC振蕩器，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，生產現場抗干擾能力強，能滿足汽車油箱密封性檢測試驗臺控制要求。檢測系統主要由差壓傳感器、鍵盤輸入接口、檢測指示燈等構成，如圖1所示，整個系統集成度高、成本低。

圖1 檢測系統組成框圖

被測油箱在輸送線上輸送到指定工位并固定，同時向標準油箱和被測油箱充入壓縮氣體，氣壓穩定30 s，通過單片機采集差壓傳感器測量值，通過比較被測油箱與標準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臺內部氣動換向閥泄漏、管道接頭泄漏、氣體溫度變化、油箱膨脹等因素對測量結果的干擾，通過比較被測油箱與標準油箱的氣壓差，在相同的測量條件和環境下，試驗臺內部泄漏、氣體溫度變化、油箱膨脹等因素對被測油箱與標準油箱的影響相同，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 硬件系統設計

3.1 檢測氣動回路設計

汽車油箱密封性檢測通過氣體壓力變化來進行判斷，檢測氣動回路如圖2所示。

圖2 檢測氣動回路

壓縮氣體經換向閥4、5、9進入油箱后，經壓力傳感器10判斷是否達到檢測氣壓，達到測量壓力時，關閉電磁換向閥5和9，保壓30 s，經差壓傳感器6檢測被測油箱與標準油箱間的壓力差，判斷被測油箱密封性能，經指示燈給出檢測結果，檢測完成后排出油箱內壓縮氣體。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，若不在正常范圍之內，汽車油箱密封性檢測試驗臺將停止檢測。差壓傳感器判斷被測油箱與標準油箱之間的氣壓差，進而判斷被測油箱的密封性，根據試驗，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芯片內部集成了15路12位ADC轉換通道,采樣速率最高可達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臺的測量精度和采樣速度要求。

3.3 參數存儲

測試系統中需保存工作壓力、壓差臨界值、保壓時間、檢測數量等參數，并具有掉電保護功能，STC8A4K16S2A12芯片內部集成了48KB EEPROM存儲器，測量系統將相關參數直接存入STC8A4K16S2A12芯片內部的EEPROM存儲器，編程簡單，相對外部存儲方便可靠。

3.4 顯示與鍵盤接口設計

檢測系統設計了2位LED顯示器，能顯示檢測壓力與工作狀態，采用STC8A4K16S2A12單片機的P1端口與P3端口進行控制，采用動態刷新的方式對2位LED顯示器進行控制。

系統采用STC8A4K16S2A12單片機引腳P3.3—P3.7實現2×3行列式按鍵接口，能完成以下功能：

(1)通過按鍵實現手動充氣、測試；

(2)可設置壓力值，充氣、保壓等工作時間；

(3)可對充氣時間、保壓時間、檢測時間、檢測公差值、檢測上限值、檢測下限值等進行調整。

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 檢測試驗臺面板設計

檢測試驗臺操作面板如圖5所示。

圖5 試驗臺操作面板

各部分功能如下：

(1)合格/不合格指示燈：顯示檢測結果。

(2)開始檢測：按下表示試驗開始。

(3)參數設定：設置時間、壓力等參數。

① 充氣時間(s)：參數設定時LED數碼管顯示F1。

② 保壓時間(s)：參數設定時LED數碼管顯示F2。

③ 測試時間(s)：參數設定時LED數碼管顯示F3。

④ 測試機檢測公差值(MPa)：參數設定時LED數碼管顯示F4。

⑤ 測試機檢測上限值(MPa)：參數設定時LED數碼管顯示F5。

⑥ 測試機檢測下限值(MPa)：參數設定時LED數碼管顯示F6。

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

(5)按鍵↓：設定數值時，按下起減小作用；在子菜單界面時，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 系統軟件設計

系統軟件采用Keil C開發。控制系統軟件分為兩部分：定時中斷服務程序和主程序。

利用STC8A4K16S2A12內部16位定時器產生20 ms的定時中斷，每中斷一次采樣壓力一次，為防止壓力波動，連續采樣10次，采用平均壓力值作為有效值。

主程序包括：鍵盤掃描、LED數碼管刷新、氣動換向閥控制、壓力AD轉換等功能模塊。主程序中的時間延時，如鍵盤消除抖動延時，LED數碼管刷新時間，利用STC8A4K16S2A12單片機產生的1 ms定時為基準，采用軟件變量記錄中斷次數實現不同的時間延時，這種方法提高了主程序的掃描速度。

5 結束語

文中設計了以STC8A4K16S2A12單片機為控制器的汽車油箱密封性檢測試驗臺，利用氣體壓力差對汽車油箱密封性進行檢測，具有參數設置、檢測報警、統計件數等功能，具有成本低、穩定可靠的特點，檢測試驗臺能提高汽車油箱密封性檢測效率。目前，該試驗臺在東風專用汽車零部件有限公司運行半年來，穩定可靠，具有推廣應用價值。