基于MSP430單片機(jī)的熱電偶自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

魏芳，王薇，王一飛

（1.中國船舶集團(tuán)公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測中心，揚(yáng)州 225001）

引言

隨著國防科技的飛速發(fā)展和武器裝備的不斷更新?lián)Q代，可靠性工程得到了越來越多的重視[1]。裝備承制方在科研設(shè)計(jì)階段需要綜合運(yùn)用各種設(shè)計(jì)方法提高裝備的可靠性，在試驗(yàn)階段需要花費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)去驗(yàn)證裝備的可靠性。

在可靠性試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員需要在規(guī)定的時(shí)刻對(duì)樣品進(jìn)行規(guī)定的功能性能檢測。試驗(yàn)人員需要時(shí)刻守候在試驗(yàn)現(xiàn)場，但又無法實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品運(yùn)行情況。為了解決這一矛盾，本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。

1 試驗(yàn)概述

本次試驗(yàn)的樣品為K型熱電偶，首先需要進(jìn)行1100 h的高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為800 ℃，在管式馬弗爐中進(jìn)行，試驗(yàn)布置見圖1。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員需要按照試驗(yàn)大綱的規(guī)定對(duì)熱電偶進(jìn)行功能檢測，即檢測熱電偶測得的溫度與實(shí)際溫度的偏差是否滿足大綱要求。熱電偶是一種高精度的溫度測量元件，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出[3]。如何精確地測量熱電偶輸出的微弱電壓信號(hào)也對(duì)試驗(yàn)人員提出了不小的考驗(yàn)。

圖1 熱電偶試驗(yàn)布置圖

2 數(shù)采系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)本次試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的熱電偶自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以精確測量熱電偶輸出的微弱電壓信號(hào)，并自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)進(jìn)行顯示和保存。該系統(tǒng)的運(yùn)用不需要試驗(yàn)人員具有較高的測量技術(shù)能力，也不再需要試驗(yàn)人員時(shí)刻守候在試驗(yàn)現(xiàn)場。

數(shù)采系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)和AD597K型熱電偶放大模塊組成[4]，見圖2和圖3。K型熱電偶輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過AD597模塊放大之后進(jìn)入MSP430單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件。

圖2 熱電偶自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖

圖3 熱電偶自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

MSP430F149是美國TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款16位超低功耗單片機(jī)，廣泛用于各種工業(yè)控制現(xiàn)場[5]。MSP430F149單片機(jī)具有6組獨(dú)立的IO口，每組8位，并且內(nèi)置一個(gè)12位ADC模塊，能夠滿足本次試驗(yàn)所需要的轉(zhuǎn)換精度要求。

AD597是專門針對(duì)K型熱電偶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款單芯片溫度設(shè)定點(diǎn)控制器，該模塊可以對(duì)K型熱電偶輸入進(jìn)行冷結(jié)補(bǔ)償和放大，從而得出與溫度成比例的內(nèi)部信號(hào)[6]。使用時(shí)，首先調(diào)節(jié)偏置電位器和增益電位器，得出模塊在測溫范圍內(nèi)的輸入輸出線性關(guān)系。本次試驗(yàn)中，熱電偶的試驗(yàn)溫度為800 ℃，故調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，使得在（750～850）℃溫度范圍內(nèi)，溫度和與模塊輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系滿足式（1）。

式中：

T——熱電偶溫度值；

Vin——溫度對(duì)應(yīng)的電壓值，即ADC輸入電壓量。

將熱電偶輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)接入AD597模塊的信號(hào)輸入端，將放大后的電壓信號(hào)送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)串口發(fā)送至上位機(jī)[7]。ADC輸入電壓與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換關(guān)系見公式（2）。

式中：

NADC—ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值；

VR+—ADC基準(zhǔn)電壓正極；

VR-—ADC基準(zhǔn)電壓負(fù)極。

實(shí)際取式（2）中的RV+為2.5 V，RV-為0 V，則ADC輸入電壓和ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（3）所示。

3 數(shù)采系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制程序用C語言編寫。主程序主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘、看門狗、I/O口等各個(gè)模塊的初始化，ADC轉(zhuǎn)換控制以及串口發(fā)送等。ADC中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)讀取ADC轉(zhuǎn)換值。單片機(jī)主程序和ADC中斷服務(wù)程序分別如圖4和圖5所示。下位機(jī)程序流程圖見圖6。

圖4 單片機(jī)主程序

圖5 單片機(jī)ADC中斷服務(wù)程序

圖6 下位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)程序用LabView語言編寫，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存[8,9]。LabView是美國NI公司研制開發(fā)的一種圖形化的程序設(shè)計(jì)語言，該語言是測控系統(tǒng)中最常用的一種程序開發(fā)語言，可以輕松實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”的虛擬儀器思想。上位機(jī)通過串口給下位機(jī)發(fā)送開始采集指令，并接收下位機(jī)通過串口傳輸而來的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值，并通過式（3）將ADC數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的電壓值，最后由式（1）得出熱電偶測得的溫度值。上位機(jī)程序框圖的主要功能部分如圖7所示。

圖7 上位機(jī)程序主要功能框圖

4 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)開始前，將馬弗爐升溫到試驗(yàn)大綱規(guī)定的溫度800 ℃，并用經(jīng)過計(jì)量且在計(jì)量有效期內(nèi)的溫度巡檢儀實(shí)時(shí)監(jiān)測爐內(nèi)的溫度。待升溫完成后，馬弗爐進(jìn)入保溫狀態(tài)。此時(shí)啟動(dòng)數(shù)采系統(tǒng)，給下位機(jī)發(fā)送開始采集指令，系統(tǒng)開始采集熱電偶的溫度。圖8中左圖是溫度巡檢儀測得的爐內(nèi)實(shí)時(shí)溫度曲線，右圖是爐邊低溫區(qū)的溫度曲線。圖9是數(shù)采系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)。通過對(duì)比可知，溫度巡檢儀測得的爐內(nèi)溫度最終穩(wěn)定在805℃左右，數(shù)采系統(tǒng)測得的溫度穩(wěn)定在804℃左右，兩者之間的誤差在允許的范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖8 溫度巡檢儀溫度圖曲線

圖9 數(shù)據(jù)采集結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文針對(duì)K型熱電偶可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套基于MSP430單片機(jī)的熱電偶自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，代替試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)過程中的功能性能檢測。將本數(shù)采系統(tǒng)和計(jì)量過的溫度巡檢儀對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)采集精度可滿足使用要求。

自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用，不需要試驗(yàn)人員具有較高的測量技術(shù)能力，又解決了試驗(yàn)人員時(shí)刻守在試驗(yàn)現(xiàn)場卻又無法實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品狀態(tài)的矛盾。此外，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還能更加全面完整地記錄樣品的狀態(tài)數(shù)據(jù)，給裝備研制人員提供完整的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，有助于科研人員更好地分析裝備的狀態(tài)，從而改進(jìn)裝備的性能?？梢灶A(yù)見，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必定在越來越多的可靠性試驗(yàn)中得到應(yīng)用。