ADT75型數字溫度傳感器的原理和應用

摘要：介紹ADT75型數字溫度傳感器，它將溫度傳感器、12位A/D轉換器、可編程溫度越限報警器和SMBus/I2C總線接口集成在一個晶片中。詳細描述ADT75的功能、原理及使用方法，給出該電路在溫度控制系統中的應用。
關鍵詞：數字溫度傳感器；ADT75；溫度控制系統

1 引言
ADT75是ADI公司推出的數字溫度傳感器，內置1個高度集成的溫度傳感器，其額定工作溫度範圍為-55℃～+125℃，能夠對溫度進行準確測量。其內部還包含1個12位的ADC，用來監測並數位化溫度值，其解析度可達0.0625℃，功耗低，工作電壓範圍是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於一體，可大大簡化溫度測試系統的設計，提高系統的集成化。
ADT75的主要特點如下：
內含12位A/D轉換器；
溫度誤差最大是1℃，溫度解析度0.0625℃；
SMBus/I2C兼容接口；
工作溫度範圍為-55℃~+125℃；
超溫指示器；
採用關斷模式降低能耗；
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個地址指針寄存器、數字比較器、SM-Bus/I2C串行接口等。其工作過程如下：溫度傳感器進行溫度採集，產生與絕對溫度成一定比例的精確電壓，並與內部參考電壓進行比較，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個寄存器：4個數據寄存器和1個地址指針寄存器。配置寄存器是惟一的8位數據寄存器，其餘的均是16位。溫度數據寄存器是惟一的只讀數據寄存器。上電時，地址指針寄存器被設置為Ox00，且指針指向溫度數據寄存器，具體描述見表2。

(1)地址指針寄存器
該8位寫寄存器存放指向4個數據寄存器之一的1個地址，並選擇單步模式。採用單步模式可以減少電能消耗，當單步模式啟動時，ADT75立刻進入關斷模式。當VDD為3.3V時，電流消耗為3μA；當VDD為5 V時，電流消耗為5.5μA。P0和P1選擇被寫入或讀出數據字節的數據寄存器。PO、Pl和P2通過向這個寄存器寫入04H來選擇單步模式。該8位寄存器其餘位都設置為零。寄存器地址選擇見表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，以二進位補碼的方式存儲，以MSB為溫度標記位。讀寄存器時，先讀高8位，後讀低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16位讀/寫寄存器存放2個中斷模式下的溫度滯後限定值。溫度限定值以二進位補碼的方式存儲，用MSB作為溫度標誌位。當從這個寄存器讀數時，先讀高8位MSB，後讀低8位LSB。THYST的預設設置極限溫度為+75℃。
(5)TOS定值寄存器
這個16位讀/寫寄存器以2個中斷模式存放超溫限定值。溫度限定值以二進位補碼的方式存儲。當從這個寄存器讀數時，先讀高8位MSB，後讀低8位LSB。TOS的預設設置極限溫度為+80℃。

4 典型應用
溫度是測控系統中主要的被控參數之一。實際應用中，經常需要控制溫度使之保持在某一範圍內。以往，在實際測控系統中，多採用熱敏電阻器或熱電偶測量溫度。這種溫度採集電路有時需要冷端補償電路，這樣就增加了電路的複雜性；而且電路易受幹擾，使採集到的數據不準確。
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採集溫度，再由前置放大電路將檢測到的微小信號轉變為ADC可轉換的信號，同時經過冷端溫度補償後進行A/D轉換，這樣才能把模擬溫度信號數位化，如圖3所示。

這種傳統電路的特點是需要的器件多，電路所佔空間大，電路易受幹擾，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/數轉換器於一體。採用ADT75大大簡化了溫度測試系統的設計，電路集成度高，所佔空間小，精度高，大大減少了調試工作量。
4.2 應用實例
直冷式電冰櫃的機件相對較少，設備不容易出故障，而且製冷相對迅速，它是利用冰櫃內空氣自然對流的方式冷卻食品的。其蒸發器常常安裝在冰柜上部，蒸發器周圍的空氣要與蒸發器產生熱交換，空氣循環往復自然對流，從而達到製冷的目的。在實際使用中，電冰櫃的溫度應保持在設定值，這就需要採用溫度測控系統進行自動調節。溫度控制原理是根據蒸發器的溫度控制製冷壓縮機的啟停、使冰櫃內的溫度保持在設定的溫度範圍內。
在直冷式電冰櫃溫度測控系統的設計中，以AT89C51型單片機為核心，採用ADT75構成溫度控制電路。這種電路硬體設計簡單且功耗較低，實用性強。ADT75與AT89C51的硬體接口電路如圖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，串行時鐘輸入端SCL由P10腳依次發出高低電平，lO kΩ電阻為漏極開路時的上拉電阻器；ADT75採用比較模式，當OS/ALERT輸出設置為低電平時，與其相接的蜂鳴器進行溫度超限報警。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，然後通過外部溫度控制裝置控制製冷壓縮機的啟停，進行溫度的調節，使電冰櫃內的溫度保持在某個設定的範圍內。

5 工作方式
5.1 串行總線的協議操作方式
主設備(如單片機等，見圖4)通過設置開始條件啟動數據轉換，由ADT75串行數據線SDA定義高到低的轉換，同時串行時鐘線SCL一直為高電平。
ADT75在第9個時鐘脈衝之前拉低數據線，等待數據讀出或寫入。如果R/W位是0，將數據寫入ADT75。如果R/W位是1，將從ADT75中讀數據。
數據按照9個時鐘脈衝序列的順序傳送到串行總線上。在寫入模式下，在第10個時鐘脈衝到停止狀態期間主設備將拉高數據線。在讀出模式下，在第9個時鐘脈衝之前的低電平期間單片機將拉高數據線。
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據，地址指針寄存器必須包含該寄存器地址。如果沒有包含該地址，必須通過執行單字節寫操作將正確的地址寫入地址指針寄存器。
(2)向寄存器寫數據
配置寄存器是8位，因此只有數據的1個字節能寫入這個寄存器。寫到配置寄存器的數據字節包括串行總線地址，數據寄存器地址寫到地址指針寄存器中，接著數據字節寫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個數據字節寫入這些寄存器中。
5.3 ADT75的讀出方式
對於配置寄存器，以1個單字節數據的方式從ADT75中讀數據。對於溫度數據寄存器、THYST寄存器和TOS寄存器，以1個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，OS/ALERT指針將再次恢復到無效狀態。在比較模式下，設置ADT75為關斷模式時，無需重新設置OS/ALERT的狀態。
(2)中斷模式
在中斷模式下，只有從ADT75的寄存器讀數據時，OS/ALERT引腳才進入無效狀態。在被測溫度低於存放在THYST定值寄存器中的設定值時，OS/ALERT引腳返回到有效狀態。一旦OS/ALERT引腳被重新設詈，只有當溫度高於TOS定值寄存器中的設定值時，它才將再次回到有效狀態。
5.5 多電路工作方式
在1個主設備的控制下，最多可將8個ADT75連接到一條SMBus/I2C總線上。像所有的SMBus/I2C兼容設備一樣，ADl75有1個7位串行地址，這個地址的高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ADT75共同工作，那麼A2、Al和A0引腳接地。

6 結束語
在直冷式電冰櫃溫度測控系統的硬體設計中，ADT75完全能夠滿足溫度採集的要求，使用起來也很方便。由於溫度檢測電路的外部接口電路簡單，串行接口佔用單片機口線少，且性能優良，功耗低，可靠性好，所以設計和運行都達到了非常滿意的效果。