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基于单片机真空镀膜机检漏仪设计论文

毕业设计

2013年6月7日

目录

基于单片机真空镀膜机检漏仪设计

摘要:

随着现在生产技术的高速发展，对于真空镀膜检漏方法及检漏的准确度提出了越来越高的要求。

基于单片机的真空计检漏法作为真空检漏的一种方法，因其性价高、操作方便等较多的优点得到越来越多的重视和应用。

本文出于方便、经济、实用等方面考虑，对基于单片机真空镀膜机检漏仪进行设计研究。

本论文采用电离真空规来测量真空镀膜室内压力，选用热阴极电离真空计为真空室内真空测量元件。

转换部分主要由ADC0808控制，它主要的工作就是把电离规离子流信号进行转换，是从模拟量转换为相应的单片机需要的数字量再传送到数据处理模块。

数据处理主要是通过AT89C51进行处理，它主要的工作是把ADC0808传过来的数字量进行处理，产生相应的真空度送到显示模块进行显示。

处理器判断真空室内的压力是否符合真空镀膜机的要求真空度，通过蜂鸣器和LED显示灯，进行报警，提示给使用者。

关键字:

电离真空计；AT89C51单片机；A/D转换；ADC0808；LM016L

Abstract:

Withthemodernproductiontechniquesdeveloping,methodsforleakagedetectingandtheaccuracyofithashigherrequierment.Thevacuumleakagedetectingbasedonsinglechipisoneofthevacuumleakagedetectingmethods,becauseoftheadvantageofit’shighcost-performanceratio,stableperformance,nopollution,convenientoperationandsoon,itgetsmoreattentionandapplication.Forthecondidetationofconvenience,economy,practicaltheseaspects,thispaperisaboutthedesignandresearchofvacuumcoatingmachineleakdetectorthatbasedonsinglechip.Inthispaperitusevacuumionizationgaugetotestthepressureinthevacuumchamber,choosethehot-filamentionizationgaugetobethetestingelement.A/DtransfermainlyrelyonADC0808completed,itresponsetotranslatethecollectedanalogquantitytothecorrespondingdigitalquantityandtransformtothedatahandlingmodel.datahandlingmadebyAT89C51chip,itresponsetohandlingthedigitalquantityfromADC0808andtheproducethecorrespondingvacuumdegreetoshowontheshowmodel.Theprocessorjudgethepressureinthevacuumchamberifmatchtherequirevacuumdegreeofthevacuumcoatingmachine,ifnot,throughthebuzzerandtheLEDlamptoalarmtheuser.

Keywords:

AT89C51microcontroller;ionizationvacuumgauge;A/Dconversion;ADC0808;LM016L

1引言

1.1课题研究的背景与现状

真空镀膜是主要在高真空的环境下利用物理方法在镀件上镀上一层膜的技术。

真空镀膜会根据镀膜的方式不同可以分为：

离子镀膜、真空溅射镀膜、真空蒸发镀膜。

所以真空镀膜对真空度的要求非常严格，一个良好的检漏系统，能够迅速判断系统是否漏气，判断出漏口位置，及时修复是非常重要的。

如今的工业发展有很多的机器和设备都需要要求有真空环境，由于真空的设备或者是机器长期使用后，其真空度肯定会出现减小的情况，也就是真空系统出出现漏气的现象，这就会影响到机器和设备的正常工作，需要有一个系统能够及时的检测出系统有漏气的情况进行反馈给用户，这样就会避免不安全事故的发生，因此，对真空系统的检漏成为安全生产的一个重要指标。

1.2真空检漏技术与设备的发展现状

检漏的方法有很多，各种检漏方法有自己的特点和使用的范围，方法的选择要根据具体的情况而定，所选择的既要满足检测的要求，又能尽可能简单方便和经济的前提下，检测方法应符合的要求：

（1）检测灵敏度高。

（2）反应时间短。

（3）能对漏孔进行地位和定量。

（4）能无损检漏，即检漏时不能破坏被测件的结构，也不能受到污染[1]。

（5）稳定性好。

（6）检测范围广。

现在比较好的检测真空室是否漏气的方法是利用真空室的气体流量进行检查，会检测到真空室的一些参数，比如说真空室的压力值等，然后会根据这些值按照一定的关系式进行计算出真空室内是否漏气。

其中一种真空镀膜室压力检测法，加压检测法就是给被测的真空镀膜室内充加压力表示漏气的气体，如果被测的真空镀膜室上有漏孔时，示漏气体通过真空镀膜室的漏孔漏出，在被测器件的外部就能够检测到示漏气体。

下面介绍几种常见的几种真空镀膜室的检漏仪和较多的检漏的方法[4]：

（1）氮质谱检漏仪：

氦气泄漏专门用于检漏设备所示，它具有性能稳定，灵敏度高。

真空泄漏检测技术中最高的灵敏度，最常见的泄漏检测器的移动设备。

（2）卤素检漏仪：

含有卤素气体泄漏的真空检漏装置称为卤素检漏仪器。

（3）真空检漏法，将被测件内部抽成真空，将示漏物质施放真空室的外部，如果泄露，刚气体会进入被测物中，利用相应的方法进行示漏气体的检测，从而判断漏孔的大小和位置。

除上述几种方法以外，还有超声波检漏等。

1.3课题研究的目的和意义

真空镀膜检漏就是检测真空镀膜室内的压力值，检测真空镀膜机漏气的方法有很多种，常见的真空检漏由于价格昂贵或者是操作方法不易掌握，所以需要一种简单实用的检漏方法，本课题研究的就是基于单片机的真空检漏仪设计是设计出一种操作简单，价格低廉的设备。

系统采用的是用电离真空计去测量真空室内的压力值，然后进行信号的放大，输进单片机内进行处理。

判断真空镀膜机是否是有漏气的情况。

1.4论文的主要工作和内容

1.4.1主要工作

本论文以热阴极电离真空计与单片机技术相结合,对真空镀膜室进行压力的采集然后计算出真空度进行判断，通过显示模块和报警模块反馈给用户。

系统主要分为三个部分。

根据热阴极电离真空计出来的信号，结合单片机的真空度采集模块设计在硬件设计中，系统采用AT89C51为主控。

根据真空计采集模块出来的信号经过A/D转换器。

送到单片机中处理，并且进行判断系统是否有漏气。

给出显示真空度和漏气报警。

在系统的软件设计中，用的是基于单片机的C语言，程序主要分为下面几个部分。

第一部分数据的采集，第二部分数据处理判读程序，第三部分报警程序，第四部分显示程序。

1.4.2论文的安排结构

第1章：

主要介绍了课题研究的背景和现状，介绍真空检漏技术的发展现状，介绍课题的研究的目的和意义。

第2章：

主要对热阴极电离真空计检漏方法的说明，影响因素和解决办法

第3章：

主要对课题设计中的采用的模块进行选择，单片机模块，真空计采集模块和模数转换模块。

第4章：

硬件电路的设计，主要是对选择的各个模块进行电路的连接，包括系统的放大电路，单片机最小系统，单片机和模数转换部分电路。

第5章：

软件的设计，对系统的各个模块的软件设计，模块化设计便于后期的升级和修改。

结论：

通过对系统的总体设计，对硬件系统和软件系统进行仿真实验和调试。

2系统总体设计

2.1电离真空计概述

普通型电离真空计用于低于10-1Pa的高真空测量，在结构上它包括作为传感元件的规管和由控制及指示电路所组成的测量仪表两部分。

电离真空计的工作原理是：

使用一些手段进入电离真空规的气体分子的一部分电离，收集这些离子形成离子流，气体分子的测量离子产生的电流在一定范围内的压力和气体之间的关系示意图成比例，然后通过测量离子电流能反映电离真空计的测得的气体压力的大小，因此成为电离真空计。

电离真空计可分为三种不同的方式：

第一种是热阴极电离真空计，第二类是冷阴极电离真空计，第三类是放射性电离电离真空计[4]。

2.2热阴极电离真空计的工作原理

电离真空计的工作原理：

利用包含在真空条件气体电离之后离子化，气体电离产生的离子电流能够被收集起来。

离子流可以测量得到测量真空。

电离真空计在电离气体时是一个非常迅速的过程，微小的离子流测量也是比较难测量的，所以在高真空的范围下，电离真空计是唯一能切实可用的真空计

由电离电子源灯丝加热称为热阴极电离真空计，其种类很多，各有不同的特点和使用不同的压力范围。

热阴极电离真空规的测量装置和电离规出来的小电流测量电路组成，控制单元功能是调节气体的压力从而转化控制离子电流。

热阴极电离真空计的结构主要分为三个电极：

会提供较多数量的电子电流Ie灯丝F（阴极）。

产生电子的加速场和收集的电子流向阳极（也被称为电子加速电极）。

收集离子流离子集电极电流Ic（相对于阴极为负电位）

如果电子从阴极到阳极的飞行路径是L时，离子电流Ii，具有以下的关系之间的压力p

（2-1）

式中W是当压力p=1Pa时，每个电子飞行1m所产生的电子一离子对数目，称电离效率，它是电子能量的函数，电离效率W还与气体的种类有关，于气体的电离的概率会有一个因数的关系，电子在电场中飞行途中能量是变化的，式（2-1）应改写为积分形式，即[3]

（2-2）

如果在工作中并非所有电子和离子都被收集（例如部分电子或离子到达规管管壁），则式（2-2）应修改为

（2-3）

式中α，β是分别对离子流I进行修正的系数，显然α<1，β>1。

令

（2-4）

称K为电离规管系数（以往称为电离规的灵敏度），其单位为Pa-1。

对一定气体当温度恒定时，K为一个恒量，将式（2-4）代入式（2-3）得

（2-5）

K在一定的真空度范围是一个定常数，假如保持电离真空计的发射电流Ie为一个不变量，所以离子流Ii与压力p之间成线性的关系。

在远大于电子的平均自由程大小的电极结构在高真空环境下，电子和分子碰撞的概率是非常小的，大多数的电子碰撞气体分子最多一次。

因此，在任何碰撞电离电子的等势面具有相同的能量（忽略的电子发射的初始能量差），当压力上升到λE电子的平均自由程时，可与电极结构体的大小，即使电子与气体分子的小时数两次或更多次的碰撞（碰撞弹性或无弹性碰撞），到达点的电场E一概含有不同的碰撞序列，它们的能量损失，由于不同已经有所不同，因此，在一个给定的W值的点是改变。

在这种情况下，随着压力p的增加越来越严重，因此，式（2-4）中的K值改变随着压力p。

达到最大线性测量压力P，它的几何形状的电极，在电极之间的