熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真研究

溫洪昌，殷強(qiáng)，張信禹

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓，644003）

0 引言

溫度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和回放，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域；本文以MAX31855為熱電偶至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)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(huán)境不同時(shí)精度有差異[1]。配合微控制器，對作業(yè)現(xiàn)場的溫度進(jìn)行采集，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到由Labview構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、保存，上位機(jī)也可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等操作；整個(gè)過程采用仿真方式實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

單片機(jī)控制熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器對K型熱電偶數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過通訊接口將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，保存和分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 控制器與熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器

單片機(jī)采用AT89C51RD2[2]，內(nèi)部具有64K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)含256字節(jié)的RAM，44引腳版有32個(gè)可編程I/O口線，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，指令系統(tǒng)與C51兼容等特點(diǎn)；熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用MAX31855KASA，對K型熱電偶溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，器件執(zhí)行三項(xiàng)操作：內(nèi)部冷端溫度轉(zhuǎn)換、外部熱電偶溫度轉(zhuǎn)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(tǒng)硬件電路原理圖

單片機(jī)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(qū)動(dòng)CS為低電平時(shí)，SO引腳將輸出第一位數(shù)據(jù)。通過串口讀取完整的冷端補(bǔ)償熱電偶溫度，需要14個(gè)時(shí)鐘周期。讀取熱電偶和參考端溫度需要32個(gè)時(shí)鐘周期。在時(shí)鐘下降沿讀取輸出位。第一位D31為熱電偶溫度符號(hào)位。D[30:18]位包含溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，順序?yàn)镸SB至LSB。D16位正常狀態(tài)下為低電平，熱電偶輸入開路或?qū)ND或VCC短路時(shí)變?yōu)楦唠娖剑籇0缺省時(shí)為低電平，當(dāng)熱電偶輸入開路或未連接時(shí)高電平；D1缺省時(shí)為低電平，當(dāng)熱電偶輸入對GND短路時(shí)為高電平；D2缺省時(shí)為低電平，當(dāng)熱電偶輸入對VCC短路時(shí)為高電平；在圖2的硬件電路原理圖中，當(dāng)單片機(jī)檢測到D0，D1，D2變成高電平時(shí)，分別由P1.5，P1.4，P1.3輸出低電平，使與之相連接的發(fā)光二極管進(jìn)行狀態(tài)顯示；單片機(jī)的P1.6，P1.7用于顯示熱電偶溫度符號(hào)，當(dāng)測量溫度為正數(shù)時(shí)，顯示綠色，負(fù)數(shù)時(shí)顯示紅色。參考端溫度數(shù)據(jù)從D15開始。輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，CS任何時(shí)候均可變?yōu)楦唠娖健Ｗx寫時(shí)序如圖3所示。

圖3 熱電偶轉(zhuǎn)換器讀寫時(shí)序

1.1.2 通信電路

單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通訊采用USB-TTL轉(zhuǎn)換器模塊實(shí)現(xiàn)，PL2303是一種高集成度的USB-RS232雙向接口轉(zhuǎn)換器，該器件一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)，另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)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(zhuǎn)換器模塊后，在設(shè)備管理器中就能查到其串口號(hào)，將轉(zhuǎn)換器模塊上的TXD、RXD短接。在電腦上安裝虛擬串口驅(qū)動(dòng)軟件，進(jìn)行配對，為上位機(jī)軟件LABVIEW分配虛擬串口號(hào)。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(shù)碼管顯示電路，段碼線接單片機(jī)的P0口，位碼線接單片機(jī)的P2口，動(dòng)態(tài)顯示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，下位機(jī)程序是單片機(jī)里面的運(yùn)行程序，分為系統(tǒng)初始化程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送程序，每次采集溫度數(shù)據(jù)后，打包成一個(gè)以AB為開頭，0X0A為結(jié)尾的字符串，由串口發(fā)送給上位機(jī)，以下是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的C語言程序，單片機(jī)晶振頻率為12MHz。

1.2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)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(yùn)行等，保存文件是將串口接收的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存入文件中，文件名以接收文件時(shí)的時(shí)間命名；讀取文件，首先輸入文件名，然后將存取的二進(jìn)制文件以圖形的方式展現(xiàn)；程序如下。

圖5 上位機(jī)程序

2 系統(tǒng)仿真

打開下位機(jī)程序進(jìn)行仿真，程序運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 下位機(jī)程序仿真

圖中虛擬終端實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)向上位機(jī)傳送的字符數(shù)據(jù)，SCV,SCG,OC三個(gè)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(fā)光二極管指示測得溫度的符號(hào)，大于0是綠色，小于0是紅色。

上位機(jī)的界面如圖7所示，首先選擇串口號(hào)，輸入與下位機(jī)一致的波特率，運(yùn)行程序，開始接受，串口來的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間在波形圖表中顯示，并顯示實(shí)時(shí)的溫度值及其符號(hào)，大于0是綠色，小于0顯紅色。此時(shí)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(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間命名），然后點(diǎn)擊保存文件按鈕（變成綠色），保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在讀取文件對話框中輸入已保存的文件名，點(diǎn)擊讀取按鈕（按鈕變?yōu)榫G色，松開變成紅色），將文件中的數(shù)據(jù)在歷史曲線波形表中顯示出來，將最后一個(gè)數(shù)據(jù)顯示在波形表的上面。

圖7 系統(tǒng)的前面板

3 結(jié)論

數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于各種測控系統(tǒng)中，單片機(jī)作為下位機(jī)，在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(gòu)建友好的上位機(jī)界面，在測控系統(tǒng)中越來越得到廣泛的應(yīng)用；本文結(jié)合二者，搭建了一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)采集仿真系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的方案，對類似研究有一定的借鑒作用。