ADT75型数字温度传感器的原理和应用

1 引言
ADT75是ADI公司推出的数字温度传感器，内置1个高度集成的温度传感器，其额定工作温度范围为-55℃～+125℃，能够对温度进行准确测量。其内部还包含1个12位的ADC，用来监测并数字化温度值，其分辨率可达0.0625℃，功耗低，工作电压范围是3 V~5.5 V。若工作电压在3.3 V，其典型电流值为300 μA；在关断模式下，典型电流值仅为3μA。ADT75是一款完善的数字温度传感器，集传感器和模数转换器于一体，可大大简化温度测试系统的设计，提高系统的集成化。
ADT75的主要特点如下：
内含12位A/D转换器；
温度误差最大是1℃，温度分辨率0.0625℃；
SMBus/I2C兼容接口；
工作温度范围为-55℃~+125℃；
超温指示器；
采用关断模式降低能耗；
在3.3 V工作电压下的功耗典型值为69μW；
8引脚MSOP和SOIC封装。

2 ADT75的引脚排列及功能
ADT75的引脚排列如图l所示。各个引脚的功能如表l所列。

3 ADT75的工作原理
ADl75的内部结构如图2所示。主要包括温度传感器、∑一△调节器、4个数据寄存器(温度数据寄存器、配置寄存器、THYST定值寄存器和TOS定值寄存器)和1个地址指针寄存器、数字比较器、SM-Bus/I2C串行接口等。其工作过程如下：温度传感器进行温度采集，产生与绝对温度成一定比例的精确电压，并与内部参考电压进行比较，输入精确的数字式调节器中，转换为有效精度为12位的数据。被测量的温度值与限定值比较，如果测量值超限，则OS/ALERT引脚输出超限信息。

ADl75包含5个寄存器：4个数据寄存器和1个地址指针寄存器。配置寄存器是惟一的8位数据寄存器，其余的均是16位。温度数据寄存器是惟一的只读数据寄存器。上电时，地址指针寄存器被设置为Ox00，且指针指向温度数据寄存器，具体描述见表2。

(1)地址指针寄存器
该8位写寄存器存放指向4个数据寄存器之一的1个地址，并选择单步模式。采用单步模式可以减少电能消耗，当单步模式启动时，ADT75立刻进入关断模式。当VDD为3.3V时，电流消耗为3μA；当VDD为5 V时，电流消耗为5.5μA。P0和P1选择被写入或读出数据字节的数据寄存器。PO、Pl和P2通过向这个寄存器写入04H来选择单步模式。该8位寄存器其余位都设置为零。寄存器地址选择见表3。

(2)温度数据寄存器
16位只读寄存器存储由内置温度传感器测得的温度值，以二进制补码的方式存储，以MSB为温度标记位。读寄存器时，先读高8位，后读低8位。
(3)配置寄存器
8位可读/写寄存器为ADT75配置各种模式，如关断、超温中断、单步、SMBus报警使能、OS/ALERT引脚极性和超温错误队列等。
(4)THYST定值寄存器
这个16位读/写寄存器存放2个中断模式下的温度滞后限定值。温度限定值以二进制补码的方式存储，用MSB作为温度标志位。当从这个寄存器读数时，先读高8位MSB，后读低8位LSB。THYST的缺省设置极限温度为+75℃。
(5)TOS定值寄存器
这个16位读/写寄存器以2个中断模式存放超温限定值。温度限定值以二进制补码的方式存储。当从这个寄存器读数时，先读高8位MSB，后读低8位LSB。TOS的缺省设置极限温度为+80℃。

4 典型应用
温度是测控系统中主要的被控参数之一。实际应用中，经常需要控制温度使之保持在某一范围内。以往，在实际测控系统中，多采用热敏电阻器或热电偶测量温度。这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，这样就增加了电路的复杂性；而且电路易受干扰，使采集到的数据不准确。
4.1 应用比较
在传统的温度测控系统中，用热电偶或热敏电阻器采集温度，再由前置放大电路将检测到的微小信号转变为ADC可转换的信号，同时经过冷端温度补偿后进行A/D转换，这样才能把模拟温度信号数字化，如图3所示。

这种传统电路的特点是需要的器件多，电路所占空间大，电路易受干扰，调试工作量大，电路集成度差，误差大。
ADT75是一款完善的数字温度传感器，集传感器和模/数转换器于一体。采用ADT75大大简化了温度测试系统的设计，电路集成度高，所占空间小，精度高，大大减少了调试工作量。
4.2 应用实例
直冷式电冰柜的机件相对较少，设备不容易出故障，而且制冷相对迅速，它是利用冰柜内空气自然对流的方式冷却食品的。其蒸发器常常安装在冰柜上部，蒸发器周围的空气要与蒸发器产生热交换，空气循环往复自然对流，从而达到制冷的目的。在实际使用中，电冰柜的温度应保持在设定值，这就需要采用温度测控系统进行自动调节。温度控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启停、使冰柜内的温度保持在设定的温度范围内。
在直冷式电冰柜温度测控系统的设计中，以AT89C51型单片机为核心，采用ADT75构成温度控制电路。这种电路硬件设计简单且功耗较低，实用性强。ADT75与AT89C51的硬件接口电路如图4所示。

在电路中，将ADT75的SMBus/I2C串行数据输入/输出端SDA与单片机的P11脚相连，串行时钟输入端SCL由P10脚依次发出高低电平，lO kΩ电阻为漏极开路时的上拉电阻器；ADT75采用比较模式，当OS/ALERT输出设置为低电平时，与其相接的蜂鸣器进行温度超限报警。设计中A2、Al和A0接地，则SMBus/I2C的地址为1001000。系统根据测得的温度值，由单片机内部完成PID运算，然后通过外部温度控制装置控制制冷压缩机的启停，进行温度的调节，使电冰柜内的温度保持在某个设定的范围内。

5 工作方式
5.1 串行总线的协议操作方式
主设备(如单片机等，见图4)通过设置开始条件启动数据转换，由ADT75串行数据线SDA定义高到低的转换，同时串行时钟线SCL一直为高电平。
ADT75在第9个时钟脉冲之前拉低数据线，等待数据读出或写入。如果R/W位是0，将数据写入ADT75。如果R/W位是1，将从ADT75中读数据。
数据按照9个时钟脉冲序列的顺序传送到串行总线上。在写入模式下，在第10个时钟脉冲到停止状态期间主设备将拉高数据线。在读出模式下，在第9个时钟脉冲之前的低电平期间单片机将拉高数据线。
5.2 ADT75的写入方式
ADl75有2种不同的写入方式。
(1)寄存器写地址
为了从特定的寄存器读数据，地址指针寄存器必须包含该寄存器地址。如果没有包含该地址，必须通过执行单字节写操作将正确的地址写入地址指针寄存器。
(2)向寄存器写数据
配置寄存器是8位，因此只有数据的1个字节能写入这个寄存器。写到配置寄存器的数据字节包括串行总线地址，数据寄存器地址写到地址指针寄存器中，接着数据字节写入所选择的数据寄存器。THYST寄存器和TOS寄存器都是16位，所以可将2个数据字节写入这些寄存器中。
5.3 ADT75的读出方式
对于配置寄存器，以1个单字节数据的方式从ADT75中读数据。对于温度数据寄存器、THYST寄存器和TOS寄存器，以1个双字节数据的方式从ADT75中读数据。从其他寄存器读数据，需要对地址指针寄存器设定相关的寄存器地址。
5.4 超温模式工作方式
ADT75有2种超温模式，即比较模式和中断模式。
(1)比较模式
在比较模式下，当测量温度降至被存放在THYST定值寄存器中的温度限制值以下时，OS/ALERT指针将再次恢复到无效状态。在比较模式下，设置ADT75为关断模式时，无需重新设置OS/ALERT的状态。
(2)中断模式
在中断模式下，只有从ADT75的寄存器读数据时，OS/ALERT引脚才进入无效状态。在被测温度低于存放在THYST定值寄存器中的设定值时，OS/ALERT引脚返回到有效状态。一旦OS/ALERT引脚被重新设詈，只有当温度高于TOS定值寄存器中的设定值时，它才将再次回到有效状态。
5.5 多电路工作方式
在1个主设备的控制下，最多可将8个ADT75连接到一条SMBus/I2C总线上。像所有的SMBus/I2C兼容设备一样，ADl75有1个7位串行地址，这个地址的高4位被设置为1001；低3位由引脚5、引脚6和引脚7设置(即A2、A1和A0)，有8种不同的地址选择。如果不需要多个ADT75共同工作，那么A2、Al和A0引脚接地。

6 结束语
在直冷式电冰柜温度测控系统的硬件设计中，ADT75完全能够满足温度采集的要求，使用起来也很方便。由于温度检测电路的外部接口电路简单，串行接口占用单片机口线少，且性能优良，功耗低，可靠性好，所以设计和运行都达到了非常满意的效果。