微型高精度炉内温度采集记录仪设计

　　0 前言

　　在现代工业生产中，对材料、产品的质量要求日益严格，这就对工业热处理窑炉内部、物料表面和内部的温度参数检测提出更高的要求。例如，钢坯加热、陶瓷烧成、钢管、火车轮淬火和回火的过程都需要对不同阶段的加热温度、物料内部温度和端面温差进行精确测量。上述过程中物料通常处于运动状态，无法实现定点测量。以往常采用拖偶实验的测量方法具有成本高、成功率低和操作复杂费时的问题，因此需要一种新的测量手段和仪器，可以在高温的窑炉内随同物料一起移动，记录整个生产过程中的温度曲线，技术人员可以根据记录的结果进行分析，优化生产过程，提高产品的质量。

　　本文设计了基于MSP430 单片机的微型高精度炉内温度采集记录仪，进行了大量传热分析和计算，采用有效的隔

　　热和绝热技术确保记录仪可以在 300 ℃以上的超高温环境下能够连续正常工作10 h。

　　1系统构成

　　1.1系统主要结构

　　温度记录仪主要由微处理器MSP430F1491、电源管理单元、无线数传模块、USB接口模块和A/D转换模块等单元，系统组成的原理框图如图 1 所示：

　　为满足低功耗的要求，芯片均选择低功耗或具有睡眠功能的器件，同时对电路设计进行充分的优化，峰值工作电流小于12 mA，采用高容量的电池，单次充电可连续使用 50 h 以上。为简化设计和缩小 PCB 板的尺寸，总线采用SPI 和 I2C 总线。系统配置了采用 I2C 接口的复位和实时时钟电路，为系统提供时间信息。采用具有 SPI 接口的 8MB的 FLASH 进行数据和相关配置参数的存储，可以记录 27万条带有时间信息的温度数据，记录的周期可以根据需要设定，或者根据预先设定的温度、时间等触发模式，改变记录数据的时间间隔，满足长时间数据记录的要求。

　　1.2 模拟量转换单元

　　从降低功耗和简化系统的角度出发，记录仪省去了传统热电偶输入信号的调理和放大电路，采用两片 TI 公司的Σ-Δ 型模数转换器 ADS1217 对热电偶信号进行直接测量，ADS1217 允许 8 路的全差分模式进行转换，构成低功耗的16 路热电偶信号的采集电路。ADS1217 具有 24 位的分辨率和 128 倍的可编程增益，在 PGA 编程为 128 时有效分辨率可达 19BIT，完全可以满足工业温度检测精度的要求。具有可编程的采样速率从 100 Hz 通道到 0.1 Hz 通道。A/D 转换电路如图 2 所示。利用其中一片 ADS1217 的基准电压经运算放大器 A 缓冲后提高驱动能力，作为 A/D 转换电路的参考电压源，同时提供给另外一片 ADS1217 作为参考电源输入，保证二者的一致性。