熱電偶數據采集系統仿真研究

溫洪昌，殷強，張信禹

（宜賓職業技術學院，四川宜賓，644003）

0 引言

溫度數據采集、存儲和回放，廣泛應用于國民經濟的各個領域；本文以MAX31855為熱電偶至數字輸出轉換器，測溫范圍可以在-270℃至+1800℃，溫度分辨率0.25℃，配以K型熱電偶，溫度范圍為-200℃至+700℃，保持±2℃精度，測溫范圍及環境不同時精度有差異[1]。配合微控制器，對作業現場的溫度進行采集，同時將數據上傳到由Labview構成的上位機監控平臺，進行實時數據顯示、保存，上位機也可以對歷史數據進行查詢等操作；整個過程采用仿真方式實現。

1 系統總體結構

單片機控制熱電偶數字轉換器對K型熱電偶數據進行采集，通過通訊接口將數據傳給計算機，對采集的數據進行顯示，保存和分析。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

1.1 系統主要硬件設計

1.1.1 控制器與熱電偶至數字轉換器

單片機采用AT89C51RD2[2]，內部具有64K字節的在系統可編程Flash存儲器，內含256字節的RAM，44引腳版有32個可編程I/O口線，3個16位的定時/計數器，指令系統與C51兼容等特點；熱電偶至數字轉換器采用MAX31855KASA，對K型熱電偶溫度數據進行采集，在溫度轉換時，器件執行三項操作：內部冷端溫度轉換、外部熱電偶溫度轉換和熱電偶故障檢測。該器件與微控制器的連接如圖2所示。

圖2 系統硬件電路原理圖

單片機的P1.0連接器件的SO端，P1.1連接器件的SCK端，P1.2連接器件的CS端，驅動CS為低電平時，SO引腳將輸出第一位數據。通過串口讀取完整的冷端補償熱電偶溫度，需要14個時鐘周期。讀取熱電偶和參考端溫度需要32個時鐘周期。在時鐘下降沿讀取輸出位。第一位D31為熱電偶溫度符號位。D[30:18]位包含溫度轉換數據，順序為MSB至LSB。D16位正常狀態下為低電平，熱電偶輸入開路或對GND或VCC短路時變為高電平；D0缺省時為低電平，當熱電偶輸入開路或未連接時高電平；D1缺省時為低電平，當熱電偶輸入對GND短路時為高電平；D2缺省時為低電平，當熱電偶輸入對VCC短路時為高電平；在圖2的硬件電路原理圖中，當單片機檢測到D0，D1，D2變成高電平時，分別由P1.5，P1.4，P1.3輸出低電平，使與之相連接的發光二極管進行狀態顯示；單片機的P1.6，P1.7用于顯示熱電偶溫度符號，當測量溫度為正數時，顯示綠色，負數時顯示紅色。參考端溫度數據從D15開始。輸出轉換數據時，CS任何時候均可變為高電平。讀寫時序如圖3所示。

圖3 熱電偶轉換器讀寫時序

1.1.2 通信電路

單片機與計算機之間的通訊采用USB-TTL轉換器模塊實現，PL2303是一種高集成度的USB-RS232雙向接口轉換器，該器件一方面從主機接收USB數據并將其轉換為RS232信息流格式發送給外設，另一方面從RS232外設接收數據轉換為USB數據格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成。

由于本文采用的虛擬仿真，電路原理圖中采用了PROTEUS軟件中虛擬串口器件，在電腦的任一USB口插上USB-TTL轉換器模塊后，在設備管理器中就能查到其串口號，將轉換器模塊上的TXD、RXD短接。在電腦上安裝虛擬串口驅動軟件，進行配對，為上位機軟件LABVIEW分配虛擬串口號。如圖4所示，已分配虛擬串口10與物理串口4配對。

圖4 虛擬串口

1.1.3 顯示電路

采用6位的數碼管顯示電路，段碼線接單片機的P0口，位碼線接單片機的P2口，動態顯示。

1.2 系統軟件設計

1.2.1 下位機軟件

系統軟件包括下位機和上位機兩部分，下位機程序是單片機里面的運行程序，分為系統初始化程序和數據轉換、數據顯示及發送程序，每次采集溫度數據后，打包成一個以AB為開頭，0X0A為結尾的字符串，由串口發送給上位機，以下是數據轉換的C語言程序，單片機晶振頻率為12MHz。

1.2.2 上位機軟件

上位機程序采用LABVIEW編寫[3]，主要的有串口初始化、開始接受、讀取文件、保存文件、停止運行等，保存文件是將串口接收的數據以二進制的形式存入文件中，文件名以接收文件時的時間命名；讀取文件，首先輸入文件名，然后將存取的二進制文件以圖形的方式展現；程序如下。

圖5 上位機程序

2 系統仿真

打開下位機程序進行仿真，程序運行結果如圖6所示。

圖6 下位機程序仿真

圖中虛擬終端實時顯示下位機向上位機傳送的字符數據，SCV,SCG,OC三個指示燈分別顯示熱電偶是否與VCC、GND短路,是否斷路，正常情況下都為0，否則為1。D1發光二極管指示測得溫度的符號，大于0是綠色，小于0是紅色。

上位機的界面如圖7所示，首先選擇串口號，輸入與下位機一致的波特率，運行程序，開始接受，串口來的數據及相應的系統時間在波形圖表中顯示，并顯示實時的溫度值及其符號，大于0是綠色，小于0顯紅色。此時可以在保存文件的對話框中輸入文件名（為便于分析，最好以采集數據時的時間命名），然后點擊保存文件按鈕（變成綠色），保存實時數據；在讀取文件對話框中輸入已保存的文件名，點擊讀取按鈕（按鈕變為綠色，松開變成紅色），將文件中的數據在歷史曲線波形表中顯示出來，將最后一個數據顯示在波形表的上面。

圖7 系統的前面板

3 結論

數據采集廣泛應用于各種測控系統中，單片機作為下位機，在構建數據采集系統中靈活、方便，簡單；Labview圖形編程軟件，功能豐富，編程簡單，易于構建友好的上位機界面，在測控系統中越來越得到廣泛的應用；本文結合二者，搭建了一個簡單的數據采集仿真系統，給出了詳細的方案，對類似研究有一定的借鑒作用。