怎樣設計一個基于STM32的水位傳感器氣密性檢測儀？

在水位傳感器的出廠檢測過程中需要進行氣密性檢測，為此，設計了一個基于STM32的水位傳感器氣密性檢測儀。該檢測儀采用直壓式氣體檢漏的方法，以STM32F030R8為控制核心，控制氣泵進行充氣，壓力傳感器檢測氣壓并通過電橋差分信號輸出，高精度氣壓測量模塊測量電橋信號的輸出，通過程序控制實現氣密性檢測的加壓、穩壓、保載、判斷、輸出等步驟，并將判斷結果通過LCD顯示和繼電器輸出。通過多次實驗和測試，該氣密性檢漏系統能夠實現對水位傳感器泄漏的檢測，且實驗數據較為準確、穩定，重復性較好。

引言

早期對氣密性檢測常采用的是氣泡法，即將待測工件放入水中，向待測工件的腔體中充入一定壓力的氣體，通過觀察有無氣泡從水中冒出來判斷氣密性好壞。氣泡法對檢測對象依靠肉眼判斷，檢測不夠準確，同時對檢測工件的泄漏不能做定量分析，只能應用在對氣密性要求低的場合。隨著時代的進步，氣密性直壓檢測方法得到了廣泛應用[1-2]，即向待測工件的腔體內充入一定壓力的氣體，通過檢測一定時間內待測工件內部壓力的變化情況來判斷工件的泄漏程度。這種方法檢測效率高、成本低，可以實現定性和定量分析。

水位傳感器在洗衣機等行業中廣泛使用，洗衣機外桶中有一個氣室，水位改變時，氣室內部的壓力大小將改變，該氣室和水位傳感器氣路相通，氣壓推動水位傳感器中的膜片使電感量發生變化，從而使組成的LC振蕩電路頻率發生變化，洗衣機控制主板通過檢測振蕩電路的頻率，從而獲取水位的高低[3-4]。如果水位傳感器存在泄漏的情況，將導致洗衣機控制主板測量的水位高低不準確，故在水位傳感器的出廠檢測中，氣密性檢測是一項重要的檢測項目。因此，本文設計了一種基于STM32的水位傳感器氣密性檢測儀，采用直壓法檢測，并對測量結果進行顯示和輸出，滿足了水位傳感器對氣密性檢測的需求。

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系統工作原理

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完成對水位傳感器的氣密性檢測需要氣路、硬件和軟件三部分協調工作。STM32通過控制微型氣泵對氣室進行充氣，硬件集成有檢測模塊和處理器模塊，對水位傳感器的氣壓進行檢測和信號轉換，在硬件的基礎上通過軟件編程實現氣密性檢測。

設計的水位傳感器氣密性檢漏系統利用直壓法原理檢測。直壓法泄漏檢測就是對水位傳感器的腔體內充入一定壓力的氣體，檢測在一定時間內氣壓的變化情況，并進行泄漏量的計算。直壓法的理論基礎是理想氣體狀態方程，如式（1）所示，用于描述理想氣體的壓強P、體積V、物質的量n、摩爾氣體常數R、溫度T之間的關系。

設氣路中密閉部分的體積為V，充入氣體后水位傳感器內部的壓強為P0，如果水位傳感器有泄漏，則在時間t后，其內部的壓強將變為P1，相應地往壓強為Patm的大氣中泄漏體積為Vatm的氣體。根據質量守恒定律，檢測過程中向大氣溢出的物質的量和剩余質量之和等于氣體初始質量，如式（2）所示：

式（2）表明，根據一定時間內氣壓的變化量就可以判斷產品是否泄漏和泄漏的程度。

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系統構成

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水位傳感器氣密性檢測儀的系統氣路原理圖如圖1所示。通過直流氣泵給待測工件充壓，氣源氣體輸出前可以通過調節節流閥的旋鈕來控制流量，再經過一個單向閥得到穩定且不產生回流的氣體給待測件充氣。當壓力達到設定值后，停止充氣。經過緩沖時間后，壓力趨于穩定，此時測量的壓力值作為初次壓力測量值，運行完保載時間，再次對待測工件進行壓力測量，兩者差值與允許泄漏量進行比較，從而判斷是否有泄漏。檢測過程由STM32進行控制。

水位傳感器氣密性檢測儀的硬件電路如圖2所示，分為三個部分：氣路系統、數據采集系統和微處理器系統。供氣系統是由直流氣泵來制備氣源，氣體通過氣路對被測對象進行充氣、檢測等動作；氣壓傳感器實時檢測待測工件內部的壓力情況，并將采集的壓力信息轉換為微弱的電信號，信號調理模塊對微弱的電信號進行調理，在MCU的控制下經過A/D轉換器轉換為微處理器可以識別的二進制碼的形式；MCU與STM32之間采用串口通信，STM32獲取氣壓的實時值，并對來自人機交互模塊鍵盤進行響應，檢測結束后將檢測的信息顯示在液晶顯示屏上，并通過繼電器將檢測結果進行輸出。

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系統工作原理

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設計的水位傳感器氣密性系統流程圖如圖3所示，由STM32通過程序實現。

設計的水位傳感器氣密性一共用到5個按鍵，分別定義為UP、DOWN、OK、SET、START，可以用來設定參數，啟動實驗，程序流程圖如圖4所示。

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實驗

本項目設計硬件實物圖如圖5所示，按圖5放置時，控制器核心部分采用5 V供電，左-右+，直流氣泵電源部分采用3 V供電，左-右+，直流氣泵接口左-右+，其余接口還包括檢測結果OK繼電器輸出接口、檢測結果NO繼電器輸出接口、傳感器氣路測量接口、鍵盤接口、液晶接口。

設置水位傳感器的測試壓力為10 kPa，緩沖時間為10 s，保載時間為20 s，泄漏允許量為100 Pa，標定的壓力比壓力表的壓力略大，但是氣密性檢測關注重點是保載前后的壓力差。取10只氣密性合格和10只氣密性不合格的水位傳感器進行測試，測試結果表明，該水位傳感器氣密性測試儀能準確判斷是否合格，表明了該設備的可行性。

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結語

該檢測儀用于水位傳感器的氣密性檢測，主要由STM32、直流氣泵、氣壓傳感器、A/D轉換器、液晶顯示屏、按鍵、繼電器等構成。實驗結果表明，所設計的水位傳感器氣密性檢測儀測試數據較為準確、穩定，重復性較好，能準確判斷水位傳感器的氣密性是否合格，滿足了水位傳感器氣密性檢測的需求。

審核編輯：劉清