基于ATMEGA128的氣密性檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 隨著醫(yī)療器械技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療器械密封部件氣密性的要求不斷提高，對(duì)氣密性的檢測(cè)也逐漸要求智能化。傳統(tǒng)的“濕式法”氣密性檢測(cè)存在缺陷，如精度低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;直壓法則在測(cè)量較高壓力或被測(cè)件體積較大時(shí)精度低，同時(shí)對(duì)外界溫度要求苛刻，不適合工廠環(huán)境;差壓法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、價(jià)格昂貴;而氮?dú)鈾z測(cè)法成本過高。因以上方法均不適合醫(yī)療器械部件氣密性大批量的出廠檢測(cè)。流量法由于成本低、精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)適用于該醫(yī)療器械部件的檢測(cè)。

針對(duì)被測(cè)件的測(cè)試壓力(通常為12 mmHg，1 mmHg=133.322 Pa)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(流量閾值<0.2 L/min)和重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)(<0.01 L/min)，文中設(shè)計(jì)了基于流量法以ATMEGA128為核心處理器的測(cè)量控制系統(tǒng)，并給出了檢測(cè)儀的氣路部分、硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)方法，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)，并保證了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和高效率，也保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 檢測(cè)原理及氣路部分

流量式檢測(cè)法原理，如圖1所示，當(dāng)氣源對(duì)被測(cè)件充氣完成后，若被測(cè)件有泄漏，則氣路中就會(huì)有氣體流動(dòng)，補(bǔ)充到被測(cè)件的氣體流量，便是被測(cè)件在單位時(shí)間內(nèi)漏掉的氣體量，即為被測(cè)件的泄漏量，利用微小流量傳感器便可測(cè)出。

該檢測(cè)系統(tǒng)采用流量法對(duì)被測(cè)件的氣密性進(jìn)行檢測(cè)，利用流量法檢測(cè)可直接獲得泄漏量，元需再進(jìn)行其他計(jì)算，且氣路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好。氣路總體設(shè)計(jì)，如圖2所示。

檢測(cè)系統(tǒng)中氣缸為執(zhí)行元件，由電磁閥5控制。電磁閥為方向控制元件，其在氣路中常用做開關(guān)閥，通過電壓信號(hào)來控制氣源氣路通道的通斷，并能改變氣體流動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)雙作用式的氣缸：向氣缸的下端進(jìn)氣，上端排氣，氣缸縮加;反之，上端進(jìn)氣，下端出氣，氣缸伸出。減壓閥是壓力控制元件，用以調(diào)節(jié)、控制氣壓的變化，并保持降壓后的壓力值穩(wěn)定在設(shè)定值上。壓力傳感器用于檢測(cè)氣路壓力值，系統(tǒng)所需測(cè)量的壓力值范圍為10～15 mmHg，精度為1 mmHg。流量傳感器選擇了熱式質(zhì)量流量計(jì)，利用流體邊界層的傳熱來測(cè)量流量。

氣路中實(shí)際存在兩個(gè)節(jié)流裝置，一是節(jié)流閥10，另一個(gè)是被測(cè)件。打開電磁閥8，系統(tǒng)進(jìn)入充氣階段，兩者均在卸壓，若被測(cè)件卸壓比節(jié)流閥快，則說明此被測(cè)件嚴(yán)重泄漏，為不合格產(chǎn)品。若被測(cè)件卸壓較小，則節(jié)流閥將卸壓，使壓力達(dá)到設(shè)定的測(cè)試壓力。在測(cè)量過程中，氣路中的壓力保持不變。若被測(cè)件有泄漏，充氣腔壓力減小，為保證氣路的壓力不變，節(jié)流閥卸壓量減小，將有氣體補(bǔ)充到充氣腔內(nèi)，該氣體的流量即為被測(cè)件的泄漏量。

圖2中，1為空氣過濾器;2為油霧分離器;3為減壓閥;4為消音器;5為電磁閥(1);6為氣缸;7為壓緊頭;8為電磁閥(2);9為精密減壓閥;10為節(jié)流閥;11為步進(jìn)電機(jī);12和13為限位器;14為充氣腔及被測(cè)件。

檢測(cè)系統(tǒng)的氣路工作過程為：打開氣源后經(jīng)減壓閥3后分為兩支路，一個(gè)支路經(jīng)電磁閥5連接到氣缸，當(dāng)二位五通閥斷電時(shí)，氣源經(jīng)二位五通閥后，從氣缸的下端進(jìn)氣，上端排氣，從而使氣缸保持在上端;當(dāng)二位五通閥通電時(shí)，氣源經(jīng)過二位五通閥后，從氣缸的上端進(jìn)氣，下端排氣，從而使氣缸下降，將密封器件壓緊;另一個(gè)支路通過精密減壓閥9，將壓力進(jìn)一步降低;當(dāng)接收到氣缸上位置傳感器的信號(hào)后，電磁閥8打開，氣體經(jīng)過精密減壓閥9穩(wěn)壓和節(jié)流閥穩(wěn)壓后，開始對(duì)夾具的腔體進(jìn)行充氣;壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)壓力值不等于設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使節(jié)流閥的節(jié)流口增大或減小，直到壓力值等于設(shè)定值，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。用限位器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行限位，保證其在程序出錯(cuò)的情況下不離開工作范圍;開始測(cè)量流量值，測(cè)量結(jié)束后關(guān)閉兩個(gè)閥體，等待下一次檢測(cè)。

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)控制對(duì)象多，外圍器件多，為提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)性，硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含微控制器模塊、測(cè)量模塊、氣路、結(jié)果指示燈和語音控制模塊、各開關(guān)器件檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊和電源模塊等。測(cè)控系統(tǒng)整體的硬件電路框圖設(shè)計(jì)，如圖3所示。其中，微控制器模塊是硬件電路的核心，主要進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的壓力流量檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制、時(shí)序控制和數(shù)據(jù)的處理;測(cè)量模塊包含壓力傳感器電路和流量傳感器電路，檢測(cè)時(shí)對(duì)氣路的壓力和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;氣路、結(jié)果指示燈和語音控制電路在檢測(cè)時(shí)控制壓緊裝置、充氣開關(guān)、檢測(cè)壓力的控制和檢測(cè)結(jié)果顯示燈的控制;各開關(guān)器件檢測(cè)模塊包括檢測(cè)系統(tǒng)開始檢測(cè)的行程開關(guān)電路，保護(hù)操作人員的光電保護(hù)器電路及判斷壓緊裝置是否到位的磁性開關(guān)電路;人機(jī)交互模塊主要進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出顯示，可進(jìn)行壓力流量的數(shù)值和動(dòng)態(tài)曲線的顯示，并可對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;電源模塊則主要為電路測(cè)量元件和控制元件提供各自所需的電源。

(1)微控制器模塊。系統(tǒng)的硬件核心采用的是ATMEL公司的8位系列單片機(jī)最高配置的一款A(yù)TMEGA128微控制器，其成本低、性能強(qiáng)、能耗低、穩(wěn)定性極高，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，處理速度快，內(nèi)部功能模塊豐富，其數(shù)據(jù)吞吐率可高達(dá)1 MIPS/MHz，并兼有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這些特性使得ATMEGA128適用于在工廠嘈雜環(huán)境下工作的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備。

(2)測(cè)量模塊。運(yùn)用巧妙的電路設(shè)計(jì)，使得ADC的分辨率能達(dá)到測(cè)量要求，無需在電路中加入A/D轉(zhuǎn)換器，且是直接應(yīng)用于微控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。

(3)氣路、結(jié)果指示燈和語音控制模塊。氣路控制部分采用深圳眾為興技術(shù)股份有限公司的Q2BYG806EM步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)42BYCH425步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并由限位器控制步進(jìn)電機(jī)防止跑出工作區(qū)域。氣路通道的通斷則由繼電器控制，其結(jié)果指示燈和語音控制用于顯示盒播報(bào)檢測(cè)部件是否合格。

(4)各開關(guān)器件檢測(cè)模塊。使用的開關(guān)器件主要包括行程開關(guān)、磁性開關(guān)、光電保護(hù)器開關(guān)等。微處理器通過采集光電保護(hù)器開關(guān)信號(hào)來確定隨后的檢測(cè)運(yùn)動(dòng)是否安全，若無操作員位于工作臺(tái)工作范圍內(nèi)，才可繼續(xù)檢測(cè)。保證安全后，通過檢測(cè)行程開關(guān)和磁性開關(guān)的信號(hào)狀態(tài)，來判斷動(dòng)作是否發(fā)生或到位。

(5)人機(jī)交互模塊。液晶屏選用北京迪文科技有限公司的電容式128段語音觸摸屏DMT80600T080_09W。屏幕大小為8.0英寸，2 GB最多可存儲(chǔ)近1 800幅全屏圖片和128段語音的片存儲(chǔ)空間，使人機(jī)界面設(shè)計(jì)變得方便。

(6)電源模塊。為保障檢測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，防止工廠環(huán)境干擾對(duì)檢測(cè)儀所帶來的影響，設(shè)計(jì)了合理的電源處理模塊。檢測(cè)系統(tǒng)中的繼電器、光電保護(hù)器、電磁閥、液晶屏、行程開關(guān)、位置開關(guān)等供電電源主要是12 V和24 V，所以選擇了有12 V、24 V輸出電壓的開關(guān)電源，用其對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中的以上硬件進(jìn)行供電。而微控制器所需的3.3 V電源則選用LM1117—3.3電源轉(zhuǎn)換芯片來提供。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的功能為目的，總體采用模塊化設(shè)計(jì)，以便后期的調(diào)試和維護(hù)。測(cè)控系統(tǒng)的模塊包括：(1)主程序模塊。(2)測(cè)控過程模塊。(3)流量測(cè)試模塊。(4)壓力調(diào)整模塊。(5)觸控界面設(shè)計(jì)模塊等。系統(tǒng)程序開發(fā)使用Iccavr編寫代碼，AVR Studio調(diào)試燒寫程序。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

結(jié)合圖2所示，主要對(duì)測(cè)控程序進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，程序流程如圖5所示。首先將被測(cè)件置在充氣腔上，啟動(dòng)行程開關(guān)，打開電磁閥1，氣缸下降。若在氣缸下降過程中，操作者的手或其他身體部分擋住了光電保護(hù)器，將會(huì)關(guān)閉電磁閥1，使氣缸上升，防止其傷害到操作者。若光電保護(hù)器未被遮擋，氣缸下降到行程終端，壓緊頭將被測(cè)件壓緊。當(dāng)氣缸下降不完全時(shí)，氣缸位置開關(guān)置1，微控制器將會(huì)關(guān)閉電磁閥1，使氣缸上升，操作者重新放置檢測(cè)工件。氣缸下降到行程終端時(shí)，氣缸位置開關(guān)置0，此時(shí)說明被測(cè)件放置正確，測(cè)控系統(tǒng)將進(jìn)入充氣、測(cè)量和排氣3個(gè)階段。

(1)充氣階段。打開電磁閥2，向被測(cè)件充氣，充氣腔內(nèi)的壓力增大，壓力調(diào)整模塊調(diào)整壓力，使充氣腔內(nèi)的壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)，為消除由充氣腔內(nèi)氣流的紊亂而造成的誤差，檢測(cè)系統(tǒng)在充人空氣后需經(jīng)過一段時(shí)間才能穩(wěn)定。當(dāng)壓力值調(diào)節(jié)在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，其壓力值仍可在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，充氣完畢，進(jìn)入測(cè)量階段。

(2)測(cè)量階段。測(cè)試的壓力保持不變，若有空氣從被測(cè)件中泄漏，則流量傳感器會(huì)檢測(cè)到泄漏量，ATMEGA128將讀到的泄漏量發(fā)送給觸摸屏，并在屏上顯示泄漏量及其曲線。

(3)排氣階段。當(dāng)檢測(cè)到的流量值大于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥2，停止充氣。電磁閥1不關(guān)閉，氣缸不上升。紅燈亮起，并發(fā)出報(bào)警，液晶屏上顯示不合格，不合格數(shù)目加1，總數(shù)加1。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)時(shí)，氣缸上升，紅燈熄滅，停止報(bào)警。當(dāng)檢測(cè)到的流量值小于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥1和2，氣缸上升，綠燈亮起，液晶屏顯示合格，合格數(shù)加1，總數(shù)加1。

4 測(cè)控系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

以12 mmHg的測(cè)量壓力為例，分別對(duì)10個(gè)已知被測(cè)件的泄漏量進(jìn)行檢測(cè)，其中被測(cè)件3和10為不合格品，其余為合格品。每個(gè)被測(cè)件測(cè)量5次，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值0.2 L/min，檢測(cè)是否合格結(jié)果與設(shè)定的條件相符，表明該測(cè)控系統(tǒng)能正確測(cè)試出被測(cè)件的好壞，達(dá)到了預(yù)想功能。由表1的數(shù)值計(jì)算出各被測(cè)件的試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性誤差，如表2所示。

重復(fù)性誤差最大為0.009 8 L/min，<0.01 L/min，表明該測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試重復(fù)性較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性及重復(fù)性。

5 結(jié)束語

文中針對(duì)某醫(yī)療器械的部件，設(shè)計(jì)了氣密性檢測(cè)系統(tǒng)。完成了氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)件的自動(dòng)氣密性檢測(cè)。并對(duì)被測(cè)件進(jìn)行了自動(dòng)化的定量判斷，并提高了檢測(cè)效率的同時(shí)降低了被測(cè)件的誤廢率，因此具有一定的實(shí)用價(jià)值。