溫度傳感器TMP275的原理、工作方式及在環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用分析

近年來隨著各種無線通信技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的日趨成熟．家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)置于家庭中的不同位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測各點(diǎn)的狀況，并及時(shí)上傳到監(jiān)控中心。節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部件包括傳感器，在家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中大量使用了溫度傳感器。

借助于溫度傳感器，家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測家庭環(huán)境、家用電器和某特殊點(diǎn)的溫度，然后基于測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的控制，從而達(dá)到節(jié)省能源、保障安全和改善人們起居條件的目的。本文以數(shù)字式溫度傳感器TMP275為例，介紹溫度傳感器在家庭環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用。

1、TMP275簡介

TMP275是TI公司于2006年推出的一款低功耗數(shù)字輸出溫度傳感器。其精確度達(dá)±0.5℃，適用于環(huán)境、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類、工業(yè)以及儀表應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域的溫度測量。

TMP275的高度精確性可使散熱與電源管理更加高效，而其低功耗能夠延長電池使用壽命并最小化自加熱（self-heating）。在-20℃～+100℃范圍內(nèi)，TMP275的精確度為±0.5℃（最大值）。其雙線串行接口與I2C相兼容。芯片采用小巧的8引腳MSOP封裝。該器件的其他特性包括：50μA低電流、9至12位可編程分辨率、0.1μA關(guān)機(jī)電流模式、整個(gè)溫度范圍內(nèi)出色的穩(wěn)定性，以及-40℃～+125℃的廣泛工作溫度范圍。另外，該器件還允許多達(dá)8個(gè)不同地址，以實(shí)現(xiàn)接口總線設(shè)計(jì)的高靈活性。TMP275的引腳排列如圖1所示。

2、TMP275硬件設(shè)計(jì)

TMP275的兩線串行接口（引腳SCL、SDA）與I2C總線接口兼容，可以直接與其相連，從而大大降低了設(shè)計(jì)難度。當(dāng)測量溫度超過用戶設(shè)定的最高溫度或低于最低溫度時(shí)，引腳ALERT輸出高電平或低電平（可以通過配置寄存器來實(shí)現(xiàn)）。上述3個(gè)引腳在實(shí)際連接中需要上拉電阻。引腳A0、A1、A2可以接地或高電平，用于決定芯片的器什地址（有8個(gè)）。TMP275的外圍電路原理圖如圖2所示。

3、TMP275的基本原理

TMP275的功能實(shí)現(xiàn)和工作方式主要由內(nèi)部的5個(gè)寄存器來確定，分別是：指針寄存器（pointer register）、溫度寄存器（temperature register）、配置寄存器（configura-tion register）、上限溫度寄存器（THIGH register）和下限溫度寄存器（TLOW register）。TMP275的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

TMP275的工作方式主要通過配置寄存器來實(shí)現(xiàn)。配置寄存器的數(shù)據(jù)格式如下：

各數(shù)據(jù)位的具體說明如下：

SD 設(shè)置器件是否工作在關(guān)斷模式。SD為1時(shí)為關(guān)斷模式，SD為0時(shí)為正常模式（包括比較模式和中斷模式）。

TM 設(shè)置器件工作在比較模式還是中斷模式。TM為1時(shí)工作在中斷模式，TM為0時(shí)工作在比較模式。

POL ALERT極性位。通過POL的設(shè)置，可以使控制器和ALERT輸出極性一致。

F1／F0 錯(cuò)誤隊(duì)列配置位。只有溫度連續(xù)超限n次后，報(bào)警才會(huì)輸出。參數(shù)n由F1和F0來設(shè)置，設(shè)置錯(cuò)誤隊(duì)列的目的是防止環(huán)境噪聲對(duì)報(bào)警輸出的影響。具體配置參數(shù)如表1所列。

R1／R0 溫度傳感器分辨率配置位。通過對(duì)其配置，可以控制溫度傳感器的轉(zhuǎn)換分辨率，同時(shí)也可以控制時(shí)間；分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。具體配置參數(shù)如表2所列。

OS 在關(guān)斷模式下，向該位寫1，可以開啟一次溫度轉(zhuǎn)換；在溫度比較模式下，該數(shù)據(jù)位可以提供比較模式的狀態(tài)。

4、TMP275的工作方式與串行接口

4.1 工作方式

正常工作方式下，當(dāng)所采集的溫度在上下限溫度之外時(shí)，TMP275會(huì)依據(jù)配置寄存器中的TM狀態(tài)來決定器件是工作在比較模式還是中斷模式。當(dāng)器件工作在比較模式，且所采集的溫度連續(xù)n次（參數(shù)n為由F0、F1決定的連續(xù)錯(cuò)誤數(shù)）等于或大于THIGH時(shí)，比較器激活A(yù)LERT告警輸出，提醒主機(jī)當(dāng)前工作溫度不正常；只有當(dāng)溫度連續(xù)n次低于TLOW時(shí)，ALERT信號(hào)才恢復(fù)正常。正常工作時(shí)，默認(rèn)方式為比較模式。當(dāng)器件工作在中斷模式，且所采集的溫度連續(xù)n次在上下限溫度之外時(shí)，比較器都會(huì)激活A(yù)LERT報(bào)警輸出；只有在對(duì)寄存器進(jìn)行操作或者器件在關(guān)斷模式下時(shí)，ALERT信號(hào)才會(huì)恢復(fù)正常，此種模式下可以進(jìn)行系統(tǒng)的耐溫測試。

另外，器件還有節(jié)能的關(guān)斷模式。如果選擇該模式，當(dāng)前的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束后，器件會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)電流消耗只有1μA。只有向配置寄存器的OS位寫1，才可以開啟下一次溫度轉(zhuǎn)換。該模式由配置寄存器的SD數(shù)據(jù)位來設(shè)定。

4.2 串行接口

TMP275的兩線數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兼容I2C協(xié)議，而且只能作為從器件。它支持快速模式（1～400kHz）和高速模式（1 kHz～3.4 MHz）。該器件的地址是由固定的高4位1001以及受控于A0、A1、A2的低3位決定。

4.2.1 I2C總線綜述

初始化傳輸?shù)脑O(shè)備稱為“主設(shè)備”，受主設(shè)備控制的是“從設(shè)備”。主設(shè)備產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL），控制總線接入，以及產(chǎn)生啟動(dòng)（START）和停止（STOP）條件。只有在總線不忙時(shí)，才可以傳送數(shù)據(jù)。在傳送期間，時(shí)鐘信號(hào)線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA必須保持不變；只有在啟動(dòng)／停止信號(hào)到來后，數(shù)據(jù)線SDA才能改變。

TMP275作為從設(shè)備，只有接收到啟動(dòng)信號(hào)后，芯片才開始工作。若接收到的地址無誤，則發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，并根據(jù)R／W位的狀態(tài)進(jìn)行讀／寫操作。當(dāng)停止信號(hào)到來后，所有工作結(jié)束。

4.2.2從設(shè)備接收模式

接收模式下，主設(shè)備先向TMP275發(fā)送TMP275的地址信息和狀態(tài)信息（R／W=0），然后發(fā)送數(shù)據(jù)，寫入地址指針寄存器。下一個(gè)字節(jié)或者幾個(gè)字節(jié)再依據(jù)指針寄存器的內(nèi)容寫入相應(yīng)的寄存器。對(duì)于每一個(gè)成功接收到的數(shù)據(jù)，TMP275都將發(fā)送確認(rèn)信息。主設(shè)備通過發(fā)送停止信號(hào)而終止數(shù)據(jù)傳輸。

4.2.3從設(shè)備發(fā)送模式

發(fā)送模式下，主設(shè)備先向TMP275發(fā)送TMP275的地址信息和狀態(tài)信息（R／W=1），然后讀取由地址指針寄存器指定的數(shù)據(jù)。對(duì)于每一個(gè)成功接收到的數(shù)據(jù)，TMP275都將發(fā)送確認(rèn)信息。主設(shè)備通過發(fā)送停止信號(hào)而終止數(shù)據(jù)傳輸。

5、TMP275在家庭環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

5.1 節(jié)點(diǎn)簡介

本文的討論是以基于藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)為平臺(tái)，介紹溫度傳感器TMP275在環(huán)境監(jiān)控中的具體應(yīng)用。該節(jié)點(diǎn)包括處理器、藍(lán)牙模塊、溫度傳感器TMP275和電源4部分，如圖4所示。

5.2 處理器部分和溫度傳感器部分

節(jié)點(diǎn)處理器選用AVR單片機(jī)ATmega128。它是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而緩解了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega 128提供一種兼容于I2C的TWI總線接口，因此TMP275的SDA和SCL引腳可以直接與處理器的引腳相連，另外還需接上拉電阻。TMP275的報(bào)警輸出方式設(shè)置為低電平輸出，接有上拉電阻。A0、A1和A2全部接低電平，這樣TMP275器件的寫地址為0x90，讀地址為0x91。TMP275的連接原理圖如圖5所示。

5.3 藍(lán)牙模塊部分

藍(lán)牙模塊選用CSR公司的BlueCore02-External藍(lán)牙芯片。此芯片是一個(gè)單一芯片無線電和基帶鏈路控制器的Bluetooth 2.4 GHz系統(tǒng)，采用0.18 μm CMOS技術(shù)，集成了射頻、基帶、帶有全部集成藍(lán)牙協(xié)議棧的MCU以及收發(fā)器。

在本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，藍(lán)牙模塊通過UART接口與處理器相連接。IO0、IO1、IO2引腳接LED燈，用來指示藍(lán)牙模塊與其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行尋呼、連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。藍(lán)牙模塊的其他引腳在本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中未涉及，故予以省略。藍(lán)牙模塊的連接原理圖如圖6所示。

6、結(jié) 語

實(shí)際應(yīng)用表明，TMP275芯片具有很高的性能，利用它可以很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，而且操作簡單。利用主控處理器和多片TMP275也很容易構(gòu)成一個(gè)其他的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，且能得到很高的測試精度。目前，基于溫度傳感器TMP275和藍(lán)牙技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢，運(yùn)行性能良好。

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