基于ADUC848的壓差法氣體透過率測試儀研制

林春景++袁俐萍

摘 要： 為了選擇合適的包裝材料，預測產(chǎn)品的貨架壽命，生產(chǎn)包裝廠家和研究單位需要一種能自動、準確、全面地測量O2，N2，CO2及仿真空氣滲透率的測試儀器。采用壓差法測量氣體的透過率，并通過ADUC848硬件和軟件實現(xiàn)對氣體滲透率的自動檢測，做到測試溫度、壓力、濕度等環(huán)境可進行自動調(diào)節(jié)，并能與上位機進行數(shù)據(jù)通信，各種測試參數(shù)可以很方便存貯在上位機內(nèi)，以便進行分析。實測表明，該設備對溫度、壓力、濕度、滲透率等參數(shù)測量精度高，達到了食品包裝行業(yè)的設計要求。

關(guān)鍵詞： 壓差法； 氣體透過率； ADUC848； 軟件設計

中圖分類號： TN710?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0133?03

Development of ADUC848?based gas permeability tester

applied with differential pressure method

LIN Chunjing1， YUAN Liping2

（1. School of Electric and Information Engineering， Guangdong Baiyun University， Guangzhou 510450， China；

2. Guangzhou College of South China University of Technology， Guangzhou 510800， China）

Abstract： To select the suitable packaging material， and forecast the shelf?life of the products， a test instrument which can measure O2， N2， CO2 automatically， accurately and roundly， and simulate the gas permeability needing by the production and packaging manufacturers and research institutes. The differential pressure method is used to measure the gas permeability， in which the automatic testing system is realized by ADUC848 hardware and software. The environments of test temperature， pressure and humidity can be adjusted automatically， and conduct with data communication with the upper computer. Various test parameters can be stored in the upper computer conveniently， which is easy to analyze. The actual measurement shows that the tester has high measurement accuracy for the parameters of temperature， pressure， humidity and permeability， and can achieve the design requirements of the food packaging industry.

Keywords： differential pressure method； gas permeability； ADUC848； software design

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們?nèi)找嬲J識到包裝對食品、醫(yī)藥、保健品等產(chǎn)品的重要性。無論在國際還是國內(nèi)市場，對產(chǎn)品貨架壽命期望值的提高，使得對包裝材料阻隔性要求也越來越高[1]。為了選擇合適的包裝材料，預測產(chǎn)品的貨架壽命，整體包裝對氧氣、空氣、濕氣等滲透性進行測試是生產(chǎn)廠家值得重視的問題。同時生產(chǎn)包裝廠家和研究單位需要一種能自動、準確、全面地檢測包裝材料對O2，N2，CO2及仿真空氣（溫度、濕度可調(diào)）的阻隔性檢測儀器。

壓差法是檢測包裝材料阻隔性比較有效的手段，真空法是壓差法中最具代表性的一種測試方法，也是氣體滲透定義的方法[2]，其測試原理（如圖1所示）是利用試樣將滲透腔隔成兩個獨立的空間，先將試樣兩側(cè)都抽成真空，然后向其上側(cè)充入一個大氣壓力（絕對壓力0.1 MPa）的測試氣體（如O2），而下側(cè)則保持真空狀態(tài)。這樣在試樣兩側(cè)就形成了0.1 MPa的測試氣體壓差，測試氣體滲透通過薄膜進入低壓側(cè)，并引起低壓側(cè)壓力的變化。通過使用高精度測壓計測量低壓側(cè)的壓力變化量，就可以利用公式[M=PVRgT]計算氣體透過量，其中[P]是氣體壓力，[V]是容積，[M]是氣體質(zhì)量，[Rg]是某一種氣體的氣體常數(shù)，[T]為氣體溫度。壓差法具有對測試氣體沒有選擇性，測試成本低，實驗成功率高等顯著的檢測優(yōu)勢，然而最關(guān)鍵的是壓差法要求測試環(huán)境中氣體“純凈”，如圖1所示。因為在真空法的實驗過程中，會先對整個測試腔抽真空至26 Pa以下[3]，再對測試上腔充入純凈的測試氣體，這樣在整個實驗環(huán)境中的雜質(zhì)氣體（非實驗氣體）就可以忽略了，因此雜質(zhì)氣體可能給實驗帶來的影響就能排除了。這個過程做到自動化、高精度是本檢測儀器設計的關(guān)鍵[2]。

圖1 壓差法檢測原理圖

1 硬件系統(tǒng)設計

1.1 主控制芯片選擇

本系統(tǒng)采用ADUC848芯片[4]，它是美國ADI公司最新推出的一款具有軍品標準的芯片，ADUC848有11個中斷源，分為2個優(yōu)先級，3個定時器，1個長延時計數(shù)器（TIC），有24個I/O口，以及UART，SPI和I2C串行通信模式，1個電源監(jiān)視器（PSM），1個看門狗定時器（WDT），1個可編程放大器（PGA），可帶8路模擬信號輸入轉(zhuǎn)換通道，擴展主機/從機模式最多可達16路模擬輸入通道的微控制器，它具有單16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，大容量64 KB FLASH ROM，4 KB片上FLASH和2 KB片上RAM[5]。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由上下壓力傳感器測量模塊、溫度傳感器測量模塊、濕度、模擬量選擇模塊、16 b A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度16 b D/A轉(zhuǎn)換控制模塊、濕度16 b D/A轉(zhuǎn)換控制模塊、上壓力12 b D/A轉(zhuǎn)換控制模塊、上位機通信模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、上下真空泵驅(qū)動模塊等電路組成。

1.3 壓力測量及控制電路設計

壓力單元電路分為上腔壓力控制電路和下腔壓力檢測電路，上腔壓力要求先抽真空（達到26 Pa以下），然后注入相關(guān)氣體（如：氧氣、氮氣、仿真空氣等），然后要求保持0.1 MPa恒壓，其框圖如圖3所示。

輸入給定壓力，與實際壓力進行比較，產(chǎn)生數(shù)字誤差信號，經(jīng)PID控制，再給D/A轉(zhuǎn)換，信號及功率放大控制氣體閥門，保持上腔氣體壓力恒定。下腔主要檢測從上腔透過氣體的壓力和溫度，用計算機計算氣體透過量。壓力傳感器采用HM27A真空/絕壓變送器，它是德國HELM在國內(nèi)推出的一款專業(yè)用于真空測量控制的新系列產(chǎn)品，上腔傳感器采用硅式絕壓，量程為200 kPa；下腔壓力傳感器采用電容薄膜絕壓，量程為1 Pa～1 kPa，輸出信號為0～5 V。

2 軟件設計

軟件設計流程如圖4所示，先對ADUC848進行初始化，其程序如下：

#include

#include

#include"Tester.h"

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define BYTE unsigned char

void main（void）

{

register_init（）； //寄存器初始化

AIN_init（）； //數(shù)/模轉(zhuǎn)換器初始化

DAC_init（）； //壓力、溫度、濕度控制器初始化

LCD_init（）； //液晶顯示器初始化

spi_init（）； //與上位機接口初始化

TR1=1 ； //開定時器1

TR0=1； //開定時器0

ET0=1； //開定時器中斷

EA=1； //開總中斷

WDT_CONTR=0x3C；

while（1）

{

WDT_CONTR|=0x10；

}

}

啟動真空泵抽真空，判斷是否真空，抽完真空，上側(cè)加氧氣，判斷充氣是否達到壓力，達到壓力后結(jié)束充氣，根據(jù)PID控制維持壓力恒定，判斷是否達到透氣設定時間，A/D轉(zhuǎn)換送8052，進行透氣質(zhì)量計算，結(jié)果分別通過SPI口送上位機和UART口送LCD顯示。數(shù)據(jù)量測量達到要求后結(jié)束測量。

3 實驗結(jié)果與分析

壓差法氣體透過率測試儀實物圖如圖5所示，透氧量測試儀技術(shù)指標如表1所示。

從表1可以看出系統(tǒng)在壓力、溫度、控制測量方面、氧氣測量精度方面都達到了設計要求，系統(tǒng)運行可靠。

4 結(jié) 語

本文采用ADUC484芯片強大的功能，設計了壓差法氣體透過率測試儀，測量O2，N2，CO2及仿真空氣的溫度、濕度、壓力等參數(shù)，采用PID控制技術(shù)，做到系統(tǒng)測量自動化，測量范圍較廣，精度較高，特別是溫度精度能控制在±0.2 ℃，達到包裝行業(yè)要求。系統(tǒng)對溫度、濕度、壓力的測量精度高低主要取決于傳感器的精度，隨著傳感器精度和穩(wěn)定性的提高，該系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定上表現(xiàn)將更加出色。

參考文獻

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