溫度傳感器TMP275的原理、工作方式及在環境監控中的應用分析

近年來隨著各種無線通信技術以及其他相關技術的日趨成熟．家庭環境監控系統得到了越來越廣泛的應用。在家庭環境監控系統中，各個節點置于家庭中的不同位置，實時監測各點的狀況，并及時上傳到監控中心。節點的關鍵部件包括傳感器，在家庭環境監控系統中大量使用了溫度傳感器。

借助于溫度傳感器，家庭環境監控系統能夠監測家庭環境、家用電器和某特殊點的溫度，然后基于測量的數據進行有效的控制，從而達到節省能源、保障安全和改善人們起居條件的目的。本文以數字式溫度傳感器TMP275為例，介紹溫度傳感器在家庭環境監控中的應用。

1、TMP275簡介

TMP275是TI公司于2006年推出的一款低功耗數字輸出溫度傳感器。其精確度達±0.5℃，適用于環境、通信、計算機、消費類、工業以及儀表應用等多個領域的溫度測量。

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，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關機電流模式、整個溫度范圍內出色的穩定性，以及-40℃～+125℃的廣泛工作溫度范圍。另外，該器件還允許多達8個不同地址，以實現接口總線設計的高靈活性。TMP275的引腳排列如圖1所示。

溫度傳感器TMP275的原理、工作方式及在環境監控中的應用分析

2、TMP275硬件設計

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，從而大大降低了設計難度。當測量溫度超過用戶設定的最高溫度或低于最低溫度時，引腳ALERT輸出高電平或低電平（可以通過配置寄存器來實現）。上述3個引腳在實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）。TMP275的外圍電路原理圖如圖2所示。

3、TMP275的基本原理

TMP275的功能實現和工作方式主要由內部的5個寄存器來確定，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的內部寄存器結構如圖3所示。

TMP275的工作方式主要通過配置寄存器來實現。配置寄存器的數據格式如下：

各數據位的具體說明如下：

SD 設置器件是否工作在關斷模式。SD為1時為關斷模式，SD為0時為正常模式（包括比較模式和中斷模式）。

TM 設置器件工作在比較模式還是中斷模式。TM為1時工作在中斷模式，TM為0時工作在比較模式。

POL ALERT極性位。通過POL的設置，可以使控制器和ALERT輸出極性一致。

F1／F0 錯誤隊列配置位。只有溫度連續超限n次后，報警才會輸出。參數n由F1和F0來設置，設置錯誤隊列的目的是防止環境噪聲對報警輸出的影響。具體配置參數如表1所列。

R1／R0 溫度傳感器分辨率配置位。通過對其配置，可以控制溫度傳感器的轉換分辨率，同時也可以控制時間；分辨率越高，轉換時間越長。具體配置參數如表2所列。

OS 在關斷模式下，向該位寫1，可以開啟一次溫度轉換；在溫度比較模式下，該數據位可以提供比較模式的狀態。

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，當所采集的溫度在上下限溫度之外時，TMP275會依據配置寄存器中的TM狀態來決定器件是工作在比較模式還是中斷模式。當器件工作在比較模式，且所采集的溫度連續n次（參數n為由F0、F1決定的連續錯誤數）等于或大于THIGH時，比較器激活ALERT告警輸出，提醒主機當前工作溫度不正常；只有當溫度連續n次低于TLOW時，ALERT信號才恢復正常。正常工作時，默認方式為比較模式。當器件工作在中斷模式，且所采集的溫度連續n次在上下限溫度之外時，比較器都會激活ALERT報警輸出；只有在對寄存器進行操作或者器件在關斷模式下時，ALERT信號才會恢復正常，此種模式下可以進行系統的耐溫測試。

另外，器件還有節能的關斷模式。如果選擇該模式，當前的溫度轉換結束后，器件會自動關斷，此時電流消耗只有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換。該模式由配置寄存器的SD數據位來設定。

4.2 串行接口

TMP275的兩線數據線SDA和時鐘線SCL兼容I2C協議，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

初始化傳輸的設備稱為“主設備”，受主設備控制的是“從設備”。主設備產生串行時鐘（SCL），控制總線接入，以及產生啟動（START）和停止（STOP）條件。只有在總線不忙時，才可以傳送數據。在傳送期間，時鐘信號線為高電平時，數據線SDA必須保持不變；只有在啟動／停止信號到來后，數據線SDA才能改變。

TMP275作為從設備，只有接收到啟動信號后，芯片才開始工作。若接收到的地址無誤，則發出一個確認信號，并根據R／W位的狀態進行讀／寫操作。當停止信號到來后，所有工作結束。

4.2.2從設備接收模式

接收模式下，主設備先向TMP275發送TMP275的地址信息和狀態信息（R／W=0），然后發送數據，寫入地址指針寄存器。下一個字節或者幾個字節再依據指針寄存器的內容寫入相應的寄存器。對于每一個成功接收到的數據，TMP275都將發送確認信息。主設備通過發送停止信號而終止數據傳輸。

4.2.3從設備發送模式

發送模式下，主設備先向TMP275發送TMP275的地址信息和狀態信息（R／W=1），然后讀取由地址指針寄存器指定的數據。對于每一個成功接收到的數據，TMP275都將發送確認信息。主設備通過發送停止信號而終止數據傳輸。

5、TMP275在家庭環境監控中的應用

5.1 節點簡介

本文的討論是以基于藍牙（Bluetooth）技術的家庭環境監控系統的節點為平臺，介紹溫度傳感器TMP275在環境監控中的具體應用。該節點包括處理器、藍牙模塊、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

節點處理器選用AVR單片機ATmega128。它是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而緩解了系統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的報警輸出方式設置為低電平輸出，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。