摘要：為了實現(xiàn)對溫度檢測的高精度要求，利用12位分辨率的微功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片.ADS1286，配合AT89C2051單片機(jī)，對溫度檢測系統(tǒng)中的溫度采集部分進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計。將該溫度采集電路應(yīng)用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設(shè)計中，檢測溫度范圍在0～350℃之間，溫度檢測精度達(dá)到±0.1℃。實踐證明，該溫度采集電路測量精度高，工作可靠穩(wěn)定，適用于工業(yè)測控瓴域及智能化儀器儀表中對溫度檢測提出高精度要求的應(yīng)用場合。
溫度檢測在工業(yè)測控領(lǐng)域中較為常見，一般工業(yè)用溫度檢測系統(tǒng)對檢測精度都有很高的要求。利用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片及單片機(jī)可以方便地構(gòu)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(zhuǎn)換芯片ADS1286，配合AT89C2051單片機(jī)對溫度檢測系統(tǒng)中的溫度采集部分進(jìn)行設(shè)計。ADS1286的串行接口使得電路設(shè)計簡單，減少了連線，提高了系統(tǒng)的可靠性；較高的分辨率保證了溫度檢測的高精度要求。
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(zhuǎn)換芯片，其供電電流僅為250μA，采樣率為20kHz，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(yuǎn)距離及需要屏蔽的數(shù)據(jù)采集的應(yīng)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(dāng)該引腳出現(xiàn)低電平時，芯片片選有效，當(dāng)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(+6V MAX)。ADS1286芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由采樣/保持差動放大器、電容數(shù)/模轉(zhuǎn)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(gòu)成了與微處理器進(jìn)行串行通信的三線接口。
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)。
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(jìn)入A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)果，并在每個時鐘信號的上升沿鎖存這12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。12個時鐘信號周期的轉(zhuǎn)換時間結(jié)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。
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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)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(shè)計
在溫度檢測系統(tǒng)中，為了采集目標(biāo)對象的當(dāng)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(gòu)成的惠斯通電橋?qū)囟刃盘栟D(zhuǎn)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?qū)Σ杉瘻囟刃盘栠M(jìn)行處理，需要先將采集放大后的模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再送入單片機(jī)處理。本文采用12位分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1286對采集到的模擬溫度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以減小A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，ADS1286是在AT89C2051單片機(jī)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(jī)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(gòu)成的惠斯通電橋用于測量目標(biāo)的溫度，鉑電阻的阻值隨溫度變化發(fā)生相應(yīng)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，以滿足A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換需要的輸入電壓范圍(0～5V)。
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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADS1286芯片+VCC引腳接正電源Vcc，VREF引腳接基準(zhǔn)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(jī)P1.5～P1.3三個引腳輸出相連，單片機(jī)通過程序由P1.5引腳輸出ADS1286工作所需的時鐘信號，單片機(jī)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(yán)格按照ADS1286芯片操作時序，控制ADS1286芯片對模擬溫度信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)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(jī)。
溫度采集電路中，開關(guān)電源產(chǎn)生的±15 V電壓作為AD620儀表放大器的正、負(fù)電源，+15 V電壓接入由TL431ALCP精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓器及電阻R4～R6構(gòu)成的分路穩(wěn)壓器，其輸出向外部提供精準(zhǔn)電壓，被用作惠斯通電橋的電源及ADS1286芯片的基準(zhǔn)電源。
AT89C2051單片機(jī)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(jìn)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(jìn)入A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果，AT89C2051單片機(jī)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(zhuǎn)換結(jié)果。在12位的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)接收完畢后，單片機(jī)通過P1.3引腳將
端置為高電平并準(zhǔn)備下一次從ADS1286接收A/D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)。
3 溫度采集部分軟件設(shè)計
AT89C2051單片機(jī)對ADS1286芯片的12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果需要分2次讀取，低8位轉(zhuǎn)換結(jié)果存于片內(nèi)RAM31H單元，高4位轉(zhuǎn)換結(jié)果存于片內(nèi)RAM32H單元。溫度采集A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：
4 結(jié)語
ADS1286是一款性價比很高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將其應(yīng)用于溫度檢測系統(tǒng)中，串行接口使得電路配置簡單，而且其較高的分辨率減小了A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，保證了系統(tǒng)對溫度檢測的高精度要求。該芯片應(yīng)用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設(shè)計中，檢測溫度范圍為0～350℃，微型加熱器溫度檢測精度達(dá)到±0.1℃。正是由于ADS1286能簡化電路設(shè)計，并且保證測量系統(tǒng)的高精度，它在智能化儀器儀表以及工業(yè)測控領(lǐng)域具有較高的實用價值。
