ADS1286在溫度檢測中的應用

作者：時間：2011-08-03 來源：網(wǎng)絡

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　　溫度檢測在工業(yè)測控領域中較為常見。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(wěn)定的溫度檢測系統(tǒng)。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(tǒng)中的溫度采集部分進行設計。

　　1 芯片介紹

　　ADS1286是美國BURR—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，提供了一個用于兩線或三線接口通信，并與SPI或SSI兼容的串行接口。微功耗以及串行接口的特點使得ADS1286非常適合于遠距離及需要屏蔽的數(shù)據(jù)采集的應用場合。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(xiàn)低電平時，芯片片選有效，當該引腳為高電平時為低功耗模式;DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端;DCLOCK為時鐘輸入端;+Vcc為電源正端(+6 V MAX)。ADS1286芯片內(nèi)部結構如圖1所示，由采樣/保持差動放大器、電容數(shù)/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個數(shù)字輸入端(DCLOCK和/SHDN)及1個三態(tài)輸出口DOUT，構成了與微處理器進行串行通信的三線接口。

ADS1286內(nèi)部結構圖

　　ADS1286的工作時序如圖2所示，上電后，端置于高電平，此時片選無效，DCLOCK端時鐘信號輸入被禁止，DOUT端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 ADS1286在溫度檢測中的應用端電平發(fā)生由高到低的變化后，片選有效，A/D采樣時序開始，經(jīng)過延遲時間tCSD，時鐘信號允許接入DCLOCK端，在片選有效后，從第二個時鐘信號開始進入A/D轉換時序，DOUT端脫離高阻狀態(tài)，并在每個時鐘信號的下降沿輸出同步數(shù)字序列，在先輸出一個無效位(NULL BIT)后，接下來的12個時鐘信號每個信號的下降沿DOUT端從高位(MSB)開始輸出12位A/D轉換結果，并在每個時鐘信號的上升沿鎖存這12位A/D轉換結果。12個時鐘信號周期的轉換時間結束后直至下一次/SHDN端電平出現(xiàn)由高到低的變化，ADS1286工作在低功耗模式下。

ADS1286工作時序圖

　　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端仍然維持時鐘信號，則DOUT端從次低位(LSB+1位)開始由低到高再次輸出A/D轉換結果，直到/SHDN端電平出現(xiàn)由低到高的變化時停止。若該次A/D轉換結果完整輸出后，DCLOCK端時鐘信號仍然有效，則DOUT端輸出低電平信號，此過程如圖2(b)所示。

　　2 溫度采集部分硬件設計

　　在溫度檢測系統(tǒng)中，為了采集目標對象的當前溫度，采用測溫范圍寬，穩(wěn)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行處理，需要先將采集放大后的模擬溫度信號轉換為數(shù)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(shù)轉換芯片ADS1286對采集到的模擬溫度信號進行A/D轉換，以減小A/D轉換的量化誤差，ADS1286是在AT89C2051單片機發(fā)送的時鐘信號的控制下，并在片選有效時，通過串行數(shù)據(jù)輸出端向單片機提供12位串行溫度數(shù)據(jù)。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儀表放大器進行放，以滿足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，通過調(diào)節(jié)外接可變電阻Rg的阻值改變放大倍數(shù)，其放大增益G=1+49.4 k/Rg。根據(jù)檢測溫度的范圍，依次調(diào)節(jié)可變電阻W1及Rg，使得在最低和最高檢測溫度時，放大器輸出分別為0和5 V，因此溫度在檢測范圍內(nèi)變化時，放大器可輸出滿足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+In引腳接入ADS1286芯片進行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及三個引腳分別與AT89C2051單片機P1.5～P1.3三個引腳輸出相連，單片機通過程序由P1.5引腳輸出ADS1286工作所需的時鐘信號，單片機通過P1.3引腳可實現(xiàn)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，ADS1286片選有效，該引腳高電平時，ADS1286處于低功耗狀態(tài)。AT89C2051嚴格按照ADS1286芯片操作時序，控制ADS1286芯片對模擬溫度信號進行A/D轉換，并將轉換后的12位數(shù)字溫度數(shù)據(jù)由DOUT引腳輸出，通過P1.4引腳串行輸入至單片機。

　　溫度采集電路中，開關電源產(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(wěn)壓器及電阻R4～R6構成的分路穩(wěn)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芯片的時序控制采用圖2(b)所示操作時序。首先，通過P1.3引腳向端提供低電平，使ADS1286片選有效，ADS1286開始對模擬輸入電壓進行采樣，經(jīng)過延遲時間tCSD，AT89C2051通過P1.5引腳向DCLOCK端提供時鐘信號。在ADS1286片選有效后，從第二個時鐘信號開始進入A/D轉換時序，此時，DOUT端先輸出一個無效位，在接下來的11個時鐘信號每個信號的下降沿在DOUT端從高位(MSB)開始輸出A/D轉換結果，在緊接著的12個時鐘信號每個信號的下降沿DOUT端從LSB位開始再次輸出這12位A/D轉換結果，AT89C2051單片機在每個時鐘信號的下降沿，通過P1.4引腳從低位到高位接收該次轉換結果。在12位的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)接收完畢后，單片機通過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(shù)據(jù)。