ADS1286在溫度檢測中的應用

　　溫度檢測在工業(yè)測控領(lǐng)域中較為常見(jiàn)。利用高精度A/D轉換芯片及單片機可以方便地構成測量精度高，性能穩定的溫度檢測系統。本文采用12位串行控制的A/D轉換芯片ADS1286，配合AT89C2051單片機對溫度檢測系統中的溫度采集部分進(jìn)行設計。

　　1 芯片介紹

　　ADS1286是美國B(niǎo)URR—BROWN公司生產(chǎn)的12位微功耗A/D轉換芯片，其供電電流僅為250μA，采樣率為20 kHz，提供了一個(gè)用于兩線(xiàn)或三線(xiàn)接口通信，并與SPI或SSI兼容的串行接口。微功耗以及串行接口的特點(diǎn)使得ADS1286非常適合于遠距離及需要屏蔽的數據采集的應用場(chǎng)合。ADS1286采用8引腳小型DIP封裝形式，VREF為參考電壓輸入端;+In為同相輸入端;一In為反相輸入端;GND為接地端;為片選端/低功耗模式選擇，當該引腳出現低電平時(shí)，芯片片選有效，當該引腳為高電平時(shí)為低功耗模式;DOUT為串行數據輸出端;DCLOCK為時(shí)鐘輸入端;+Vcc為電源正端(+6 V MAX)。ADS1286芯片內部結構如圖1所示，由采樣/保持差動(dòng)放大器、電容數/模轉換器CDAC、比較器、逐次逼近寄存器、控制電路及串行接口電路組成。串行接口包含2個(gè)數字輸入端(DCLOCK和/SHDN)及1個(gè)三態(tài)輸出口DOUT，構成了與微處理器進(jìn)行串行通信的三線(xiàn)接口。

　　ADS1286的工作時(shí)序如圖2所示，上電后，端置于高電平，此時(shí)片選無(wú)效，DCLOCK端時(shí)鐘信號輸入被禁止，DOUT端呈現高阻狀態(tài)。端電平發(fā)生由高到低的變化后，片選有效，A/D采樣時(shí)序開(kāi)始，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tCSD，時(shí)鐘信號允許接入DCLOCK端，在片選有效后，從第二個(gè)時(shí)鐘信號開(kāi)始進(jìn)入A/D轉換時(shí)序，DOUT端脫離高阻狀態(tài)，并在每個(gè)時(shí)鐘信號的下降沿輸出同步數字序列，在先輸出一個(gè)無(wú)效位(NULL BIT)后，接下來(lái)的12個(gè)時(shí)鐘信號每個(gè)信號的下降沿DOUT端從高位(MSB)開(kāi)始輸出12位A/D轉換結果，并在每個(gè)時(shí)鐘信號的上升沿鎖存這12位A/D轉換結果。12個(gè)時(shí)鐘信號周期的轉換時(shí)間結束后直至下一次/SHDN端電平出現由高到低的變化，ADS1286工作在低功耗模式下。

　　圖2(a)與圖2(b)的不同之處在于，在DOUT端由高位到低位輸出12位A/D轉換結果后，若DCLOCK端仍然維持時(shí)鐘信號，則DOUT端從次低位(LSB+1位)開(kāi)始由低到高再次輸出A/D轉換結果，直到/SHDN端電平出現由低到高的變化時(shí)停止。若該次A/D轉換結果完整輸出后，DCLOCK端時(shí)鐘信號仍然有效，則DOUT端輸出低電平信號，此過(guò)程如圖2(b)所示。

　　2 溫度采集部分硬件設計

　　在溫度檢測系統中，為了采集目標對象的當前溫度，采用測溫范圍寬，穩定性好的鉑電阻作為測溫元件，由鉑電阻構成的惠斯通電橋將溫度信號轉換成微小電壓信號后，再經(jīng)儀表放大器進(jìn)行放大，得到放大的模擬溫度信號。為了能夠對采集溫度信號進(jìn)行處理，需要先將采集放大后的模擬溫度信號轉換為數字信號，然后再送入單片機處理。本文采用12位分辨率的模/數轉換芯片ADS1286對采集到的模擬溫度信號進(jìn)行A/D轉換，以減小A/D轉換的量化誤差，ADS1286是在A(yíng)T89C2051單片機發(fā)送的時(shí)鐘信號的控制下，并在片選有效時(shí)，通過(guò)串行數據輸出端向單片機提供12位串行溫度數據。溫度采集部分的原理框圖如圖3所示。

　溫度采集電路如圖4所示，由鉑電阻Rt，電阻R1，R2，R3及可變電阻W1構成的惠斯通電橋用于測量目標的溫度，鉑電阻的阻值隨溫度變化發(fā)生相應的變化，惠斯通電橋也隨之輸出變化的電壓。該輸出電壓較小，需將其接入如圖4所示的AD620儀表放大器進(jìn)行放，以滿(mǎn)足A/D轉換需要的輸入電壓范圍。AD620儀表放大器具有低功耗，高增益的特點(diǎn)，通過(guò)調節外接可變電阻Rg的阻值改變放大倍數，其放大增益G=1+49.4 k/Rg。根據檢測溫度的范圍，依次調節可變電阻W1及Rg，使得在最低和最高檢測溫度時(shí)，放大器輸出分別為0和5 V，因此溫度在檢測范圍內變化時(shí)，放大器可輸出滿(mǎn)足A/D轉換需要的輸入電壓范圍(0～5 V)。

　　模擬溫度信號采集放大后，其輸出信號通過(guò)+In引腳接入ADS1286芯片進(jìn)行A/D轉換，ADS1286芯片+VCC引腳接正電源Vcc，VREF引腳接基準電源VREF，-In及GND引腳接地。ADS1286芯片的DCLOCK，DOUT及三個(gè)引腳分別與AT89C2051單片機P1.5～P1.3三個(gè)引腳輸出相連，單片機通過(guò)程序由P1.5引腳輸出ADS1286工作所需的時(shí)鐘信號，單片機通過(guò)P1.3引腳可實(shí)現對ADS1286芯片的選中及低功耗模式的選擇，該引腳輸出低電平時(shí)，ADS1286片選有效，該引腳高電平時(shí)，ADS1286處于低功耗狀態(tài)。AT89C2051嚴格按照ADS1286芯片操作時(shí)序，控制ADS1286芯片對模擬溫度信號進(jìn)行A/D轉換，并將轉換后的12位數字溫度數據由DOUT引腳輸出，通過(guò)P1.4引腳串行輸入至單片機。

　　溫度采集電路中，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的±15 V電壓作為AD620儀表放大器的正、負電源，+15 V電壓接入由TL431ALCP精密基準穩壓器及電阻R4～R6構成的分路穩壓器，其輸出向外部提供精準電壓，被用作惠斯通電橋的電源及ADS1286芯片的基準電源。

　　AT89C2051單片機對ADS1286芯片的時(shí)序控制采用圖2(b)所示操作時(shí)序。首先，通過(guò)P1.3引腳向端提供低電平，使ADS1286片選有效，ADS1286開(kāi)始對模擬輸入電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tCSD，AT89C2051通過(guò)P1.5引腳向DCLOCK端提供時(shí)鐘信號。在A(yíng)DS1286片選有效后，從第二個(gè)時(shí)鐘信號開(kāi)始進(jìn)入A/D轉換時(shí)序，此時(shí)，DOUT端先輸出一個(gè)無(wú)效位，在接下來(lái)的11個(gè)時(shí)鐘信號每個(gè)信號的下降沿在DOUT端從高位(MSB)開(kāi)始輸出A/D轉換結果，在緊接著(zhù)的12個(gè)時(shí)鐘信號每個(gè)信號的下降沿DOUT端從LSB位開(kāi)始再次輸出這12位A/D轉換結果，AT89C2051單片機在每個(gè)時(shí)鐘信號的下降沿，通過(guò)P1.4引腳從低位到高位接收該次轉換結果。在12位的數字溫度數據接收完畢后，單片機通過(guò)P1.3引腳將端置為高電平并準備下一次從ADS1286接收A/D轉換的溫度數據。

　　3 溫度采集部分軟件設計

　　AT89C2051單片機對ADS1286芯片的12位A/D轉換結果需要分2次讀取，低8位轉換結果存于片內RAM31H單元，高4位轉換結果存于片內RAM32H單元。溫度采集A/D轉換子程序如下：

　　4 結語(yǔ)

　　ADS1286芯片應用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設計中，檢測溫度范圍為0～350℃，微型加熱器溫度檢測精度達到±0.1℃。正是由于A(yíng)DS1286能簡(jiǎn)化電路設計，并且保證測量系統的高精度，它在智能化儀器儀表以及工業(yè)測控領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。