ADT75型數字溫度傳感器的原理和應用

1 引言
ADT75是ADI公司推出的數字溫度傳感器，內置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℃，能夠對溫度進(jìn)行準確測量。其內部還包含1個(gè)12位的ADC，用來(lái)監測并數字化溫度值，其分辨率可達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是一款完善的數字溫度傳感器，集傳感器和模數轉換器于一體，可大大簡(jiǎn)化溫度測試系統的設計，提高系統的集成化。
ADT75的主要特點(diǎn)如下：
內含12位A/D轉換器；
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的內部結構如圖2所示。主要包括溫度傳感器、∑一△調節器、4個(gè)數據寄存器(溫度數據寄存器、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)生與絕對溫度成一定比例的精確電壓，并與內部參考電壓進(jìn)行比較，輸入精確的數字式調節器中，轉換為有效精度為12位的數據。被測量的溫度值與限定值比較，如果測量值超限，則OS/ALERT引腳輸出超限信息。

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

(1)地址指針寄存器
該8位寫(xiě)寄存器存放指向4個(gè)數據寄存器之一的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，當單步模式啟動(dòng)時(shí)，ADT75立刻進(jìn)入關(guān)斷模式。當VDD為3.3V時(shí)，電流消耗為3μA；當VDD為5 V時(shí)，電流消耗為5.5μA。P0和P1選擇被寫(xiě)入或讀出數據字節的數據寄存器。PO、Pl和P2通過(guò)向這個(gè)寄存器寫(xiě)入04H來(lái)選擇單步模式。該8位寄存器其余位都設置為零。寄存器地址選擇見(jiàn)表3。

(2)溫度數據寄存器
16位只讀寄存器存儲由內置溫度傳感器測得的溫度值，以二進(jìn)制補碼的方式存儲，以MSB為溫度標記位。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(xiě)寄存器為ADT75配置各種模式，如關(guān)斷、超溫中斷、單步、SMBus報警使能、OS/ALERT引腳極性和超溫錯誤隊列等。
(4)THYST定值寄存器
這個(gè)16位讀/寫(xiě)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)制補碼的方式存儲，用MSB作為溫度標志位。當從這個(gè)寄存器讀數時(shí)，先讀高8位MSB，后讀低8位LSB。THYST的缺省設置極限溫度為+75℃。
(5)TOS定值寄存器
這個(gè)16位讀/寫(xiě)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)制補碼的方式存儲。當從這個(gè)寄存器讀數時(shí)，先讀高8位MSB，后讀低8位LSB。TOS的缺省設置極限溫度為+80℃。

4 典型應用
溫度是測控系統中主要的被控參數之一。實(shí)際應用中，經(jīng)常需要控制溫度使之保持在某一范圍內。以往，在實(shí)際測控系統中，多采用熱敏電阻器或熱電偶測量溫度。這種溫度采集電路有時(shí)需要冷端補償電路，這樣就增加了電路的復雜性；而且電路易受干擾，使采集到的數據不準確。
4.1 應用比較
在傳統的溫度測控系統中，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到的微小信號轉變?yōu)锳DC可轉換的信號，同時(shí)經(jīng)過(guò)冷端溫度補償后進(jìn)行A/D轉換，這樣才能把模擬溫度信號數字化，如圖3所示。

這種傳統電路的特點(diǎn)是需要的器件多，電路所占空間大，電路易受干擾，調試工作量大，電路集成度差，誤差大。
ADT75是一款完善的數字溫度傳感器，集傳感器和模/數轉換器于一體。采用ADT75大大簡(jiǎn)化了溫度測試系統的設計，電路集成度高，所占空間小，精度高，大大減少了調試工作量。
4.2 應用實(shí)例
直冷式電冰柜的機件相對較少，設備不容易出故障，而且制冷相對迅速，它是利用冰柜內空氣自然對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?chē)目諝庖c蒸發(fā)器產(chǎn)生熱交換，空氣循環(huán)往復自然對流，從而達到制冷的目的。在實(shí)際使用中，電冰柜的溫度應保持在設定值，這就需要采用溫度測控系統進(jìn)行自動(dòng)調節。溫度控制原理是根據蒸發(fā)器的溫度控制制冷壓縮機的啟停、使冰柜內的溫度保持在設定的溫度范圍內。
在直冷式電冰柜溫度測控系統的設計中，以AT89C51型單片機為核心，采用ADT75構成溫度控制電路。這種電路硬件設計簡(jiǎn)單且功耗較低，實(shí)用性強。ADT75與AT89C51的硬件接口電路如圖4所示。

在電路中，將ADT75的SMBus/I2C串行數據輸入/輸出端SDA與單片機的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(kāi)路時(shí)的上拉電阻器；ADT75采用比較模式，當OS/ALERT輸出設置為低電平時(shí)，與其相接的蜂鳴器進(jìn)行溫度超限報警。設計中A2、Al和A0接地，則SMBus/I2C的地址為1001000。系統根據測得的溫度值，由單片機內部完成PID運算，然后通過(guò)外部溫度控制裝置控制制冷壓縮機的啟停，進(jìn)行溫度的調節，使電冰柜內的溫度保持在某個(gè)設定的范圍內。

5 工作方式
5.1 串行總線(xiàn)的協(xié)議操作方式
主設備(如單片機等，見(jiàn)圖4)通過(guò)設置開(kāi)始條件啟動(dòng)數據轉換，由ADT75串行數據線(xiàn)SDA定義高到低的轉換，同時(shí)串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL一直為高電平。
ADT75在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前拉低數據線(xiàn)，等待數據讀出或寫(xiě)入。如果R/W位是0，將數據寫(xiě)入ADT75。如果R/W位是1，將從ADT75中讀數據。
數據按照9個(gè)時(shí)鐘脈沖序列的順序傳送到串行總線(xiàn)上。在寫(xiě)入模式下，在第10個(gè)時(shí)鐘脈沖到停止狀態(tài)期間主設備將拉高數據線(xiàn)。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將拉高數據線(xiàn)。
5.2 ADT75的寫(xiě)入方式
ADl75有2種不同的寫(xiě)入方式。
(1)寄存器寫(xiě)地址
為了從特定的寄存器讀數據，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)執行單字節寫(xiě)操作將正確的地址寫(xiě)入地址指針寄存器。
(2)向寄存器寫(xiě)數據
配置寄存器是8位，因此只有數據的1個(gè)字節能寫(xiě)入這個(gè)寄存器。寫(xiě)到配置寄存器的數據字節包括串行總線(xiàn)地址，數據寄存器地址寫(xiě)到地址指針寄存器中，接著(zhù)數據字節寫(xiě)入所選擇的數據寄存器。THYST寄存器和TOS寄存器都是16位，所以可將2個(gè)數據字節寫(xiě)入這些寄存器中。
5.3 ADT75的讀出方式
對于配置寄存器，以1個(gè)單字節數據的方式從ADT75中讀數據。對于溫度數據寄存器、THYST寄存器和TOS寄存器，以1個(gè)雙字節數據的方式從ADT75中讀數據。從其他寄存器讀數據，需要對地址指針寄存器設定相關(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，當測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指針將再次恢復到無(wú)效狀態(tài)。在比較模式下，設置ADT75為關(guān)斷模式時(shí)，無(wú)需重新設置OS/ALERT的狀態(tài)。
(2)中斷模式
在中斷模式下，只有從ADT75的寄存器讀數據時(shí)，OS/ALERT引腳才進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)。在被測溫度低于存放在THYST定值寄存器中的設定值時(shí)，OS/ALERT引腳返回到有效狀態(tài)。一旦OS/ALERT引腳被重新設詈，只有當溫度高于TOS定值寄存器中的設定值時(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)主設備的控制下，最多可將8個(gè)ADT75連接到一條SMBus/I2C總線(xiàn)上。像所有的SMBus/I2C兼容設備一樣，ADl75有1個(gè)7位串行地址，這個(gè)地址的高4位被設置為1001；低3位由引腳5、引腳6和引腳7設置(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 結束語(yǔ)
在直冷式電冰柜溫度測控系統的硬件設計中，ADT75完全能夠滿(mǎn)足溫度采集的要求，使用起來(lái)也很方便。由于溫度檢測電路的外部接口電路簡(jiǎn)單，串行接口占用單片機口線(xiàn)少，且性能優(yōu)良，功耗低，可靠性好，所以設計和運行都達到了非常滿(mǎn)意的效果。