基于MSP430單片機的熱電偶自動數據采集系統

魏芳，王薇，王一飛

（1.中國船舶集團公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

隨著國防科技的飛速發展和武器裝備的不斷更新換代，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計階段需要綜合運用各種設計方法提高裝備的可靠性，在試驗階段需要花費大量的時間和經費去驗證裝備的可靠性。

在可靠性試驗過程中，試驗人員需要在規定的時刻對樣品進行規定的功能性能檢測。試驗人員需要時刻守候在試驗現場，但又無法實時監測樣品運行情況。為了解決這一矛盾，本文設計了一種基于MSP430單片機的自動數據采集系統[2]。

1 試驗概述

本次試驗的樣品為K型熱電偶，首先需要進行1100 h的高溫試驗，試驗溫度為800 ℃，在管式馬弗爐中進行，試驗布置見圖1。試驗過程中試驗人員需要按照試驗大綱的規定對熱電偶進行功能檢測，即檢測熱電偶測得的溫度與實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，它將溫度信號轉換成毫伏級的電壓信號進行輸出[3]。如何精確地測量熱電偶輸出的微弱電壓信號也對試驗人員提出了不小的考驗。

圖1 熱電偶試驗布置圖

2 數采系統硬件設計

針對本次試驗，本文設計了一種基于MSP430單片機的熱電偶自動數據采集系統。該系統可以精確測量熱電偶輸出的微弱電壓信號，并自動將其轉換成溫度信號進行顯示和保存。該系統的運用不需要試驗人員具有較高的測量技術能力，也不再需要試驗人員時刻守候在試驗現場。

數采系統由MSP430F149單片機和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經過AD597模塊放大之后進入MSP430單片機的ADC轉換模塊，經過模數轉換之后通過串口傳輸到上位機軟件。

圖2 熱電偶自動數據采集系統硬件框圖

圖3 熱電偶自動數據采集系統硬件實物圖

MSP430F149是美國TI公司設計生產的一款16位超低功耗單片機，廣泛用于各種工業控制現場[5]。MSP430F149單片機具有6組獨立的IO口，每組8位，并且內置一個12位ADC模塊，能夠滿足本次試驗所需要的轉換精度要求。

AD597是專門針對K型熱電偶應用而設計的一款單芯片溫度設定點控制器，該模塊可以對K型熱電偶輸入進行冷結補償和放大，從而得出與溫度成比例的內部信號[6]。使用時，首先調節偏置電位器和增益電位器，得出模塊在測溫范圍內的輸入輸出線性關系。本次試驗中，熱電偶的試驗溫度為800 ℃，故調節兩個電位器，使得在（750～850）℃溫度范圍內，溫度和與模塊輸出電壓的對應關系滿足式（1）。

式中：

T——熱電偶溫度值；

Vin——溫度對應的電壓值，即ADC輸入電壓量。

將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號接入AD597模塊的信號輸入端，將放大后的電壓信號送入單片機的A/D轉換模塊，轉換后的數字量經串口發送至上位機[7]。ADC輸入電壓與數字量的轉換關系見公式（2）。

式中：

NADC—ADC轉換數值；

VR+—ADC基準電壓正極；

VR-—ADC基準電壓負極。

實際取式（2）中的RV+為2.5 V，RV-為0 V，則ADC輸入電壓和ADC轉換數值的對應關系如式（3）所示。

3 數采系統軟件設計

單片機控制程序用C語言編寫。主程序主要負責時鐘、看門狗、I/O口等各個模塊的初始化，ADC轉換控制以及串口發送等。ADC中斷服務程序負責讀取ADC轉換值。單片機主程序和ADC中斷服務程序分別如圖4和圖5所示。下位機程序流程圖見圖6。

圖4 單片機主程序

圖5 單片機ADC中斷服務程序

圖6 下位機程序流程圖

上位機程序用LabView語言編寫，主要用于對數據進行處理、顯示和保存[8,9]。LabView是美國NI公司研制開發的一種圖形化的程序設計語言，該語言是測控系統中最常用的一種程序開發語言，可以輕松實現“軟件即儀器”的虛擬儀器思想。上位機通過串口給下位機發送開始采集指令，并接收下位機通過串口傳輸而來的ADC轉換數值，并通過式（3）將ADC數值轉換成實際的電壓值，最后由式（1）得出熱電偶測得的溫度值。上位機程序框圖的主要功能部分如圖7所示。

圖7 上位機程序主要功能框圖

4 試驗實施

試驗開始前，將馬弗爐升溫到試驗大綱規定的溫度800 ℃，并用經過計量且在計量有效期內的溫度巡檢儀實時監測爐內的溫度。待升溫完成后，馬弗爐進入保溫狀態。此時啟動數采系統，給下位機發送開始采集指令，系統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實時溫度曲線，右圖是爐邊低溫區的溫度曲線。圖9是數采系統測得的數據。通過對比可知，溫度巡檢儀測得的爐內溫度最終穩定在805℃左右，數采系統測得的溫度穩定在804℃左右，兩者之間的誤差在允許的范圍內，達到了預期的效果。

圖8 溫度巡檢儀溫度圖曲線

圖9 數據采集結果圖

5 結束語

本文針對K型熱電偶可靠性試驗設計了一套基于MSP430單片機的熱電偶自動數據采集系統，代替試驗人員進行試驗過程中的功能性能檢測。將本數采系統和計量過的溫度巡檢儀對比可以發現，其數據采集精度可滿足使用要求。

自動數據采集系統在可靠性試驗中的應用，不需要試驗人員具有較高的測量技術能力，又解決了試驗人員時刻守在試驗現場卻又無法實時監測樣品狀態的矛盾。此外，自動數據采集系統還能更加全面完整地記錄樣品的狀態數據，給裝備研制人員提供完整的第一手數據，有助于科研人員更好地分析裝備的狀態，從而改進裝備的性能。可以預見，自動數據采集系統必定在越來越多的可靠性試驗中得到應用。