ADT75型數(shù)字溫度傳感器的原理和應(yīng)用

1 引言
ADT75是ADI公司推出的數(shù)字溫度傳感器，內(nèi)置1個(gè)高度集成的溫度傳感器，其額定工作溫度范圍為-55℃～+125℃，能夠?qū)囟冗M(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。其內(nèi)部還包含1個(gè)12位的ADC，用來(lái)監(jiān)測(cè)并數(shù)字化溫度值，其分辨率可達(dá)0.0625℃，功耗低，工作電壓范圍是3 V~5.5 V。若工作電壓在3.3 V，其典型電流值為300 μA；在關(guān)斷模式下，典型電流值僅為3μA。ADT75是一款完善的數(shù)字溫度傳感器，集傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器于一體，可大大簡(jiǎn)化溫度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的集成化。
ADT75的主要特點(diǎn)如下：
內(nèi)含12位A/D轉(zhuǎn)換器；
溫度誤差最大是1℃，溫度分辨率0.0625℃；
SMBus/I2C兼容接口；
工作溫度范圍為-55℃~+125℃；
超溫指示器；
采用關(guān)斷模式降低能耗；
在3.3 V工作電壓下的功耗典型值為69μW；
8引腳MSOP和SOIC封裝。

2 ADT75的引腳排列及功能
ADT75的引腳排列如圖l所示。各個(gè)引腳的功能如表l所列。

3 ADT75的工作原理
ADl75的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括溫度傳感器、∑一△調(diào)節(jié)器、4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器(溫度數(shù)據(jù)寄存器、配置寄存器、THYST定值寄存器和TOS定值寄存器)和1個(gè)地址指針寄存器、數(shù)字比較器、SM-Bus/I2C串行接口等。其工作過(guò)程如下：溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成一定比例的精確電壓，并與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，輸入精確的數(shù)字式調(diào)節(jié)器中，轉(zhuǎn)換為有效精度為12位的數(shù)據(jù)。被測(cè)量的溫度值與限定值比較，如果測(cè)量值超限，則OS/ALERT引腳輸出超限信息。

ADl75包含5個(gè)寄存器：4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和1個(gè)地址指針寄存器。配置寄存器是惟一的8位數(shù)據(jù)寄存器，其余的均是16位。溫度數(shù)據(jù)寄存器是惟一的只讀數(shù)據(jù)寄存器。上電時(shí)，地址指針寄存器被設(shè)置為Ox00，且指針指向溫度數(shù)據(jù)寄存器，具體描述見(jiàn)表2。

(1)地址指針寄存器
該8位寫寄存器存放指向4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器之一的1個(gè)地址，并選擇單步模式。采用單步模式可以減少電能消耗，當(dāng)單步模式啟動(dòng)時(shí)，ADT75立刻進(jìn)入關(guān)斷模式。當(dāng)VDD為3.3V時(shí)，電流消耗為3μA；當(dāng)VDD為5 V時(shí)，電流消耗為5.5μA。P0和P1選擇被寫入或讀出數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器。PO、Pl和P2通過(guò)向這個(gè)寄存器寫入04H來(lái)選擇單步模式。該8位寄存器其余位都設(shè)置為零。寄存器地址選擇見(jiàn)表3。

(2)溫度數(shù)據(jù)寄存器
16位只讀寄存器存儲(chǔ)由內(nèi)置溫度傳感器測(cè)得的溫度值，以二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式存儲(chǔ)，以MSB為溫度標(biāo)記位。讀寄存器時(shí)，先讀高8位，后讀低8位。
(3)配置寄存器
8位可讀/寫寄存器為ADT75配置各種模式，如關(guān)斷、超溫中斷、單步、SMBus報(bào)警使能、OS/ALERT引腳極性和超溫錯(cuò)誤隊(duì)列等。
(4)THYST定值寄存器
這個(gè)16位讀/寫寄存器存放2個(gè)中斷模式下的溫度滯后限定值。溫度限定值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式存儲(chǔ)，用MSB作為溫度標(biāo)志位。當(dāng)從這個(gè)寄存器讀數(shù)時(shí)，先讀高8位MSB，后讀低8位LSB。THYST的缺省設(shè)置極限溫度為+75℃。
(5)TOS定值寄存器
這個(gè)16位讀/寫寄存器以2個(gè)中斷模式存放超溫限定值。溫度限定值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式存儲(chǔ)。當(dāng)從這個(gè)寄存器讀數(shù)時(shí)，先讀高8位MSB，后讀低8位LSB。TOS的缺省設(shè)置極限溫度為+80℃。

4 典型應(yīng)用
溫度是測(cè)控系統(tǒng)中主要的被控參數(shù)之一。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要控制溫度使之保持在某一范圍內(nèi)。以往，在實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中，多采用熱敏電阻器或熱電偶測(cè)量溫度。這種溫度采集電路有時(shí)需要冷端補(bǔ)償電路，這樣就增加了電路的復(fù)雜性；而且電路易受干擾，使采集到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
4.1 應(yīng)用比較
在傳統(tǒng)的溫度測(cè)控系統(tǒng)中，用熱電偶或熱敏電阻器采集溫度，再由前置放大電路將檢測(cè)到的微小信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可轉(zhuǎn)換的信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)冷端溫度補(bǔ)償后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣才能把模擬溫度信號(hào)數(shù)字化，如圖3所示。

這種傳統(tǒng)電路的特點(diǎn)是需要的器件多，電路所占空間大，電路易受干擾，調(diào)試工作量大，電路集成度差，誤差大。
ADT75是一款完善的數(shù)字溫度傳感器，集傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器于一體。采用ADT75大大簡(jiǎn)化了溫度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路集成度高，所占空間小，精度高，大大減少了調(diào)試工作量。
4.2 應(yīng)用實(shí)例
直冷式電冰柜的機(jī)件相對(duì)較少，設(shè)備不容易出故障，而且制冷相對(duì)迅速，它是利用冰柜內(nèi)空氣自然對(duì)流的方式冷卻食品的。其蒸發(fā)器常常安裝在冰柜上部，蒸發(fā)器周圍的空氣要與蒸發(fā)器產(chǎn)生熱交換，空氣循環(huán)往復(fù)自然對(duì)流，從而達(dá)到制冷的目的。在實(shí)際使用中，電冰柜的溫度應(yīng)保持在設(shè)定值，這就需要采用溫度測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。溫度控制原理是根據(jù)蒸發(fā)器的溫度控制制冷壓縮機(jī)的啟停、使冰柜內(nèi)的溫度保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。
在直冷式電冰柜溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以AT89C51型單片機(jī)為核心，采用ADT75構(gòu)成溫度控制電路。這種電路硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且功耗較低，實(shí)用性強(qiáng)。ADT75與AT89C51的硬件接口電路如圖4所示。

在電路中，將ADT75的SMBus/I2C串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端SDA與單片機(jī)的P11腳相連，串行時(shí)鐘輸入端SCL由P10腳依次發(fā)出高低電平，lO kΩ電阻為漏極開路時(shí)的上拉電阻器；ADT75采用比較模式，當(dāng)OS/ALERT輸出設(shè)置為低電平時(shí)，與其相接的蜂鳴器進(jìn)行溫度超限報(bào)警。設(shè)計(jì)中A2、Al和A0接地，則SMBus/I2C的地址為1001000。系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的溫度值，由單片機(jī)內(nèi)部完成PID運(yùn)算，然后通過(guò)外部溫度控制裝置控制制冷壓縮機(jī)的啟停，進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，使電冰柜內(nèi)的溫度保持在某個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)。

5 工作方式
5.1 串行總線的協(xié)議操作方式
主設(shè)備(如單片機(jī)等，見(jiàn)圖4)通過(guò)設(shè)置開始條件啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由ADT75串行數(shù)據(jù)線SDA定義高到低的轉(zhuǎn)換，同時(shí)串行時(shí)鐘線SCL一直為高電平。
ADT75在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前拉低數(shù)據(jù)線，等待數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭?。如果R/W位是0，將數(shù)據(jù)寫入ADT75。如果R/W位是1，將從ADT75中讀數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)按照9個(gè)時(shí)鐘脈沖序列的順序傳送到串行總線上。在寫入模式下，在第10個(gè)時(shí)鐘脈沖到停止?fàn)顟B(tài)期間主設(shè)備將拉高數(shù)據(jù)線。在讀出模式下，在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間單片機(jī)將拉高數(shù)據(jù)線。
5.2 ADT75的寫入方式
ADl75有2種不同的寫入方式。
(1)寄存器寫地址
為了從特定的寄存器讀數(shù)據(jù)，地址指針寄存器必須包含該寄存器地址。如果沒(méi)有包含該地址，必須通過(guò)執(zhí)行單字節(jié)寫操作將正確的地址寫入地址指針寄存器。
(2)向寄存器寫數(shù)據(jù)
配置寄存器是8位，因此只有數(shù)據(jù)的1個(gè)字節(jié)能寫入這個(gè)寄存器。寫到配置寄存器的數(shù)據(jù)字節(jié)包括串行總線地址，數(shù)據(jù)寄存器地址寫到地址指針寄存器中，接著數(shù)據(jù)字節(jié)寫入所選擇的數(shù)據(jù)寄存器。THYST寄存器和TOS寄存器都是16位，所以可將2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)寫入這些寄存器中。
5.3 ADT75的讀出方式
對(duì)于配置寄存器，以1個(gè)單字節(jié)數(shù)據(jù)的方式從ADT75中讀數(shù)據(jù)。對(duì)于溫度數(shù)據(jù)寄存器、THYST寄存器和TOS寄存器，以1個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)的方式從ADT75中讀數(shù)據(jù)。從其他寄存器讀數(shù)據(jù)，需要對(duì)地址指針寄存器設(shè)定相關(guān)的寄存器地址。
5.4 超溫模式工作方式
ADT75有2種超溫模式，即比較模式和中斷模式。
(1)比較模式
在比較模式下，當(dāng)測(cè)量溫度降至被存放在THYST定值寄存器中的溫度限制值以下時(shí)，OS/ALERT指針將再次恢復(fù)到無(wú)效狀態(tài)。在比較模式下，設(shè)置ADT75為關(guān)斷模式時(shí)，無(wú)需重新設(shè)置OS/ALERT的狀態(tài)。
(2)中斷模式
在中斷模式下，只有從ADT75的寄存器讀數(shù)據(jù)時(shí)，OS/ALERT引腳才進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)。在被測(cè)溫度低于存放在THYST定值寄存器中的設(shè)定值時(shí)，OS/ALERT引腳返回到有效狀態(tài)。一旦OS/ALERT引腳被重新設(shè)詈，只有當(dāng)溫度高于TOS定值寄存器中的設(shè)定值時(shí)，它才將再次回到有效狀態(tài)。
5.5 多電路工作方式
在1個(gè)主設(shè)備的控制下，最多可將8個(gè)ADT75連接到一條SMBus/I2C總線上。像所有的SMBus/I2C兼容設(shè)備一樣，ADl75有1個(gè)7位串行地址，這個(gè)地址的高4位被設(shè)置為1001；低3位由引腳5、引腳6和引腳7設(shè)置(即A2、A1和A0)，有8種不同的地址選擇。如果不需要多個(gè)ADT75共同工作，那么A2、Al和A0引腳接地。

6 結(jié)束語(yǔ)
在直冷式電冰柜溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，ADT75完全能夠滿足溫度采集的要求，使用起來(lái)也很方便。由于溫度檢測(cè)電路的外部接口電路簡(jiǎn)單，串行接口占用單片機(jī)口線少，且性能優(yōu)良，功耗低，可靠性好，所以設(shè)計(jì)和運(yùn)行都達(dá)到了非常滿意的效果。