基于MSP430单片机的热电偶自动数据采集系统

魏芳，王薇，王一飞

（1.中国船舶集团公司第七二三研究所，扬州 225001；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）

引言

随着国防科技的飞速发展和武器装备的不断更新换代，可靠性工程得到了越来越多的重视[1]。装备承制方在科研设计阶段需要综合运用各种设计方法提高装备的可靠性，在试验阶段需要花费大量的时间和经费去验证装备的可靠性。

在可靠性试验过程中，试验人员需要在规定的时刻对样品进行规定的功能性能检测。试验人员需要时刻守候在试验现场，但又无法实时监测样品运行情况。为了解决这一矛盾，本文设计了一种基于MSP430单片机的自动数据采集系统[2]。

1 试验概述

本次试验的样品为K型热电偶，首先需要进行1100 h的高温试验，试验温度为800 ℃，在管式马弗炉中进行，试验布置见图1。试验过程中试验人员需要按照试验大纲的规定对热电偶进行功能检测，即检测热电偶测得的温度与实际温度的偏差是否满足大纲要求。热电偶是一种高精度的温度测量元件，它将温度信号转换成毫伏级的电压信号进行输出[3]。如何精确地测量热电偶输出的微弱电压信号也对试验人员提出了不小的考验。

图1 热电偶试验布置图

2 数采系统硬件设计

针对本次试验，本文设计了一种基于MSP430单片机的热电偶自动数据采集系统。该系统可以精确测量热电偶输出的微弱电压信号，并自动将其转换成温度信号进行显示和保存。该系统的运用不需要试验人员具有较高的测量技术能力，也不再需要试验人员时刻守候在试验现场。

数采系统由MSP430F149单片机和AD597K型热电偶放大模块组成[4]，见图2和图3。K型热电偶输出的微弱电压信号经过AD597模块放大之后进入MSP430单片机的ADC转换模块，经过模数转换之后通过串口传输到上位机软件。

图2 热电偶自动数据采集系统硬件框图

图3 热电偶自动数据采集系统硬件实物图

MSP430F149是美国TI公司设计生产的一款16位超低功耗单片机，广泛用于各种工业控制现场[5]。MSP430F149单片机具有6组独立的IO口，每组8位，并且内置一个12位ADC模块，能够满足本次试验所需要的转换精度要求。

AD597是专门针对K型热电偶应用而设计的一款单芯片温度设定点控制器，该模块可以对K型热电偶输入进行冷结补偿和放大，从而得出与温度成比例的内部信号[6]。使用时，首先调节偏置电位器和增益电位器，得出模块在测温范围内的输入输出线性关系。本次试验中，热电偶的试验温度为800 ℃，故调节两个电位器，使得在（750～850）℃温度范围内，温度和与模块输出电压的对应关系满足式（1）。

式中：

T——热电偶温度值；

Vin——温度对应的电压值，即ADC输入电压量。

将热电偶输出的毫伏级电压信号接入AD597模块的信号输入端，将放大后的电压信号送入单片机的A/D转换模块，转换后的数字量经串口发送至上位机[7]。ADC输入电压与数字量的转换关系见公式（2）。

式中：

NADC—ADC转换数值；

VR+—ADC基准电压正极；

VR-—ADC基准电压负极。

实际取式（2）中的RV+为2.5 V，RV-为0 V，则ADC输入电压和ADC转换数值的对应关系如式（3）所示。

3 数采系统软件设计

单片机控制程序用C语言编写。主程序主要负责时钟、看门狗、I/O口等各个模块的初始化，ADC转换控制以及串口发送等。ADC中断服务程序负责读取ADC转换值。单片机主程序和ADC中断服务程序分别如图4和图5所示。下位机程序流程图见图6。

图4 单片机主程序

图5 单片机ADC中断服务程序

图6 下位机程序流程图

上位机程序用LabView语言编写，主要用于对数据进行处理、显示和保存[8,9]。LabView是美国NI公司研制开发的一种图形化的程序设计语言，该语言是测控系统中最常用的一种程序开发语言，可以轻松实现“软件即仪器”的虚拟仪器思想。上位机通过串口给下位机发送开始采集指令，并接收下位机通过串口传输而来的ADC转换数值，并通过式（3）将ADC数值转换成实际的电压值，最后由式（1）得出热电偶测得的温度值。上位机程序框图的主要功能部分如图7所示。

图7 上位机程序主要功能框图

4 试验实施

试验开始前，将马弗炉升温到试验大纲规定的温度800 ℃，并用经过计量且在计量有效期内的温度巡检仪实时监测炉内的温度。待升温完成后，马弗炉进入保温状态。此时启动数采系统，给下位机发送开始采集指令，系统开始采集热电偶的温度。图8中左图是温度巡检仪测得的炉内实时温度曲线，右图是炉边低温区的温度曲线。图9是数采系统测得的数据。通过对比可知，温度巡检仪测得的炉内温度最终稳定在805℃左右，数采系统测得的温度稳定在804℃左右，两者之间的误差在允许的范围内，达到了预期的效果。

图8 温度巡检仪温度图曲线

图9 数据采集结果图

5 结束语

本文针对K型热电偶可靠性试验设计了一套基于MSP430单片机的热电偶自动数据采集系统，代替试验人员进行试验过程中的功能性能检测。将本数采系统和计量过的温度巡检仪对比可以发现，其数据采集精度可满足使用要求。

自动数据采集系统在可靠性试验中的应用，不需要试验人员具有较高的测量技术能力，又解决了试验人员时刻守在试验现场却又无法实时监测样品状态的矛盾。此外，自动数据采集系统还能更加全面完整地记录样品的状态数据，给装备研制人员提供完整的第一手数据，有助于科研人员更好地分析装备的状态，从而改进装备的性能。可以预见，自动数据采集系统必定在越来越多的可靠性试验中得到应用。