基于ADUC848的压差法气体透过率测试仪研制

林春景++袁俐萍

摘 要： 为了选择合适的包装材料，预测产品的货架寿命，生产包装厂家和研究单位需要一种能自动、准确、全面地测量O2，N2，CO2及仿真空气渗透率的测试仪器。采用压差法测量气体的透过率，并通过ADUC848硬件和软件实现对气体渗透率的自动检测，做到测试温度、压力、湿度等环境可进行自动调节，并能与上位机进行数据通信，各种测试参数可以很方便存贮在上位机内，以便进行分析。实测表明，该设备对温度、压力、湿度、渗透率等参数测量精度高，达到了食品包装行业的设计要求。

关键词： 压差法； 气体透过率； ADUC848； 软件设计

中图分类号： TN710?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

随着生活水平的提高，人们日益认识到包装对食品、医药、保健品等产品的重要性。无论在国际还是国内市场，对产品货架寿命期望值的提高，使得对包装材料阻隔性要求也越来越高[1]。为了选择合适的包装材料，预测产品的货架寿命，整体包装对氧气、空气、湿气等渗透性进行测试是生产厂家值得重视的问题。同时生产包装厂家和研究单位需要一种能自动、准确、全面地检测包装材料对O2，N2，CO2及仿真空气（温度、湿度可调）的阻隔性检测仪器。

压差法是检测包装材料阻隔性比较有效的手段，真空法是压差法中最具代表性的一种测试方法，也是气体渗透定义的方法[2]，其测试原理（如图1所示）是利用试样将渗透腔隔成两个独立的空间，先将试样两侧都抽成真空，然后向其上侧充入一个大气压力（绝对压力0.1 MPa）的测试气体（如O2），而下侧则保持真空状态。这样在试样两侧就形成了0.1 MPa的测试气体压差，测试气体渗透通过薄膜进入低压侧，并引起低压侧压力的变化。通过使用高精度测压计测量低压侧的压力变化量，就可以利用公式[M=PVRgT]计算气体透过量，其中[P]是气体压力，[V]是容积，[M]是气体质量，[Rg]是某一种气体的气体常数，[T]为气体温度。压差法具有对测试气体没有选择性，测试成本低，实验成功率高等显著的检测优势，然而最关键的是压差法要求测试环境中气体“纯净”，如图1所示。因为在真空法的实验过程中，会先对整个测试腔抽真空至26 Pa以下[3]，再对测试上腔充入纯净的测试气体，这样在整个实验环境中的杂质气体（非实验气体）就可以忽略了，因此杂质气体可能给实验带来的影响就能排除了。这个过程做到自动化、高精度是本检测仪器设计的关键[2]。

图1 压差法检测原理图

1 硬件系统设计

1.1 主控制芯片选择

本系统采用ADUC848芯片[4]，它是美国ADI公司最新推出的一款具有军品标准的芯片，ADUC848有11个中断源，分为2个优先级，3个定时器，1个长延时计数器（TIC），有24个I/O口，以及UART，SPI和I2C串行通信模式，1个电源监视器（PSM），1个看门狗定时器（WDT），1个可编程放大器（PGA），可带8路模拟信号输入转换通道，扩展主机/从机模式最多可达16路模拟输入通道的微控制器，它具有单16位高精度A/D转换器，大容量64 KB FLASH ROM，4 KB片上FLASH和2 KB片上RAM[5]。

1.2 系统整体结构设计

系统的整体结构如图2所示，它是由上下压力传感器测量模块、温度传感器测量模块、湿度、模拟量选择模块、16 b A/D转换模块、温度16 b D/A转换控制模块、湿度16 b D/A转换控制模块、上压力12 b D/A转换控制模块、上位机通信模块、显示模块、键盘输入模块、上下真空泵驱动模块等电路组成。

1.3 压力测量及控制电路设计

压力单元电路分为上腔压力控制电路和下腔压力检测电路，上腔压力要求先抽真空（达到26 Pa以下），然后注入相关气体（如：氧气、氮气、仿真空气等），然后要求保持0.1 MPa恒压，其框图如图3所示。

输入给定压力，与实际压力进行比较，产生数字误差信号，经PID控制，再给D/A转换，信号及功率放大控制气体阀门，保持上腔气体压力恒定。下腔主要检测从上腔透过气体的压力和温度，用计算机计算气体透过量。压力传感器采用HM27A真空/绝压变送器，它是德国HELM在国内推出的一款专业用于真空测量控制的新系列产品，上腔传感器采用硅式绝压，量程为200 kPa；下腔压力传感器采用电容薄膜绝压，量程为1 Pa～1 kPa，输出信号为0～5 V。

2 软件设计

软件设计流程如图4所示，先对ADUC848进行初始化，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（）； //数/模转换器初始化

DAC_init（）； //压力、温度、湿度控制器初始化

LCD_init（）； //液晶显示器初始化

spi_init（）； //与上位机接口初始化

TR1=1 ； //开定时器1

TR0=1； //开定时器0

ET0=1； //开定时器中断

EA=1； //开总中断

WDT_CONTR=0x3C；

while（1）

{

WDT_CONTR|=0x10；

}

}

启动真空泵抽真空，判断是否真空，抽完真空，上侧加氧气，判断充气是否达到压力，达到压力后结束充气，根据PID控制维持压力恒定，判断是否达到透气设定时间，A/D转换送8052，进行透气质量计算，结果分别通过SPI口送上位机和UART口送LCD显示。数据量测量达到要求后结束测量。

3 实验结果与分析

压差法气体透过率测试仪实物图如图5所示，透氧量测试仪技术指标如表1所示。

从表1可以看出系统在压力、温度、控制测量方面、氧气测量精度方面都达到了设计要求，系统运行可靠。

4 结 语

本文采用ADUC484芯片强大的功能，设计了压差法气体透过率测试仪，测量O2，N2，CO2及仿真空气的温度、湿度、压力等参数，采用PID控制技术，做到系统测量自动化，测量范围较广，精度较高，特别是温度精度能控制在±0.2 ℃，达到包装行业要求。系统对温度、湿度、压力的测量精度高低主要取决于传感器的精度，随着传感器精度和稳定性的提高，该系统在精度和稳定上表现将更加出色。

参考文献

[1] 赵江.输液袋阻隔性检测要求及展望[J].国外塑料，2009（7）：44?45.

[2] 王微山，赵江.薄膜透气性测试的两种方法比较?压差法与等压法[J].食品工业科技，2008，29（8）：283?284.

[3] 赵江.材料的透气性测试与透气度测试[J].冷饮与速冻食品工作，2006，12（9）：32?33.

[4] 邓本辉.基于ADUC848的数字微欧计设计[J].机电技术，2009（2）：4?6.

[5] 靳斌.基于ADUC848的高精度温控器的硬件设计[J].仪表技术与传感器，2007（7）：48?52.

[6] 石成英，韩华锋，施广宏.气体压力闭环控制系统设计[J].现代电子技术，2010，33（21）：135?137.