热电偶数据采集系统仿真研究

温洪昌，殷强，张信禹

（宜宾职业技术学院，四川宜宾，644003）

0 引言

温度数据采集、存储和回放，广泛应用于国民经济的各个领域；本文以MAX31855为热电偶至数字输出转换器，测温范围可以在-270℃至+1800℃，温度分辨率0.25℃，配以K型热电偶，温度范围为-200℃至+700℃，保持±2℃精度，测温范围及环境不同时精度有差异[1]。配合微控制器，对作业现场的温度进行采集，同时将数据上传到由Labview构成的上位机监控平台，进行实时数据显示、保存，上位机也可以对历史数据进行查询等操作；整个过程采用仿真方式实现。

1 系统总体结构

单片机控制热电偶数字转换器对K型热电偶数据进行采集，通过通讯接口将数据传给计算机，对采集的数据进行显示，保存和分析。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

1.1 系统主要硬件设计

1.1.1 控制器与热电偶至数字转换器

单片机采用AT89C51RD2[2]，内部具有64K字节的在系统可编程Flash存储器，内含256字节的RAM，44引脚版有32个可编程I/O口线，3个16位的定时/计数器，指令系统与C51兼容等特点；热电偶至数字转换器采用MAX31855KASA，对K型热电偶温度数据进行采集，在温度转换时，器件执行三项操作：内部冷端温度转换、外部热电偶温度转换和热电偶故障检测。该器件与微控制器的连接如图2所示。

图2 系统硬件电路原理图

单片机的P1.0连接器件的SO端，P1.1连接器件的SCK端，P1.2连接器件的CS端，驱动CS为低电平时，SO引脚将输出第一位数据。通过串口读取完整的冷端补偿热电偶温度，需要14个时钟周期。读取热电偶和参考端温度需要32个时钟周期。在时钟下降沿读取输出位。第一位D31为热电偶温度符号位。D[30:18]位包含温度转换数据，顺序为MSB至LSB。D16位正常状态下为低电平，热电偶输入开路或对GND或VCC短路时变为高电平；D0缺省时为低电平，当热电偶输入开路或未连接时高电平；D1缺省时为低电平，当热电偶输入对GND短路时为高电平；D2缺省时为低电平，当热电偶输入对VCC短路时为高电平；在图2的硬件电路原理图中，当单片机检测到D0，D1，D2变成高电平时，分别由P1.5，P1.4，P1.3输出低电平，使与之相连接的发光二极管进行状态显示；单片机的P1.6，P1.7用于显示热电偶温度符号，当测量温度为正数时，显示绿色，负数时显示红色。参考端温度数据从D15开始。输出转换数据时，CS任何时候均可变为高电平。读写时序如图3所示。

图3 热电偶转换器读写时序

1.1.2 通信电路

单片机与计算机之间的通讯采用USB-TTL转换器模块实现，PL2303是一种高集成度的USB-RS232双向接口转换器，该器件一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设，另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成。

由于本文采用的虚拟仿真，电路原理图中采用了PROTEUS软件中虚拟串口器件，在电脑的任一USB口插上USB-TTL转换器模块后，在设备管理器中就能查到其串口号，将转换器模块上的TXD、RXD短接。在电脑上安装虚拟串口驱动软件，进行配对，为上位机软件LABVIEW分配虚拟串口号。如图4所示，已分配虚拟串口10与物理串口4配对。

图4 虚拟串口

1.1.3 显示电路

采用6位的数码管显示电路，段码线接单片机的P0口，位码线接单片机的P2口，动态显示。

1.2 系统软件设计

1.2.1 下位机软件

系统软件包括下位机和上位机两部分，下位机程序是单片机里面的运行程序，分为系统初始化程序和数据转换、数据显示及发送程序，每次采集温度数据后，打包成一个以AB为开头，0X0A为结尾的字符串，由串口发送给上位机，以下是数据转换的C语言程序，单片机晶振频率为12MHz。

1.2.2 上位机软件

上位机程序采用LABVIEW编写[3]，主要的有串口初始化、开始接受、读取文件、保存文件、停止运行等，保存文件是将串口接收的数据以二进制的形式存入文件中，文件名以接收文件时的时间命名；读取文件，首先输入文件名，然后将存取的二进制文件以图形的方式展现；程序如下。

图5 上位机程序

2 系统仿真

打开下位机程序进行仿真，程序运行结果如图6所示。

图6 下位机程序仿真

图中虚拟终端实时显示下位机向上位机传送的字符数据，SCV,SCG,OC三个指示灯分别显示热电偶是否与VCC、GND短路,是否断路，正常情况下都为0，否则为1。D1发光二极管指示测得温度的符号，大于0是绿色，小于0是红色。

上位机的界面如图7所示，首先选择串口号，输入与下位机一致的波特率，运行程序，开始接受，串口来的数据及相应的系统时间在波形图表中显示，并显示实时的温度值及其符号，大于0是绿色，小于0显红色。此时可以在保存文件的对话框中输入文件名（为便于分析，最好以采集数据时的时间命名），然后点击保存文件按钮（变成绿色），保存实时数据；在读取文件对话框中输入已保存的文件名，点击读取按钮（按钮变为绿色，松开变成红色），将文件中的数据在历史曲线波形表中显示出来，将最后一个数据显示在波形表的上面。

图7 系统的前面板

3 结论

数据采集广泛应用于各种测控系统中，单片机作为下位机，在构建数据采集系统中灵活、方便，简单；Labview图形编程软件，功能丰富，编程简单，易于构建友好的上位机界面，在测控系统中越来越得到广泛的应用；本文结合二者，搭建了一个简单的数据采集仿真系统，给出了详细的方案，对类似研究有一定的借鉴作用。