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。

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。

 

 

 

5.3 藍牙模塊部分

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

 

在本節點的設計中，藍牙模塊通過 UART 接口與處理器相連接。IO0、IO1、IO2 引腳接 LED 燈，用來指示藍牙模塊與其他藍牙設備進行尋呼、連接和數據傳輸的狀態。藍牙模塊的其他引腳在本節點設計中未涉及，故予以省略。藍牙模塊的連接原理圖如圖 6 所示。

 

 

6、結 語

實際應用表明，TMP275 芯片具有很高的性能，利用它可以很好地實現預期的設計功能，而且操作簡單。利用主控處理器和多片 TMP275 也很容易構成一個其他的環境監控系統，且能得到很高的測試精度。目前，基于溫度傳感器 TMP275 和藍牙技術的家庭環境監控系統已經調試完畢，運行性能良好。