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的溫度，然后基于測量的數(shù)據(jù)進行有效的控制，從而達到節(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±0.5℃，適用于環(huán)境、通信、計算機、消費類、工業(yè)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(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8個不同地址，以實現(xiàn)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(xiàn))。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(xiàn)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(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(xù)超限n次后，報警才會輸出。參數(shù)n由F1和F0來設置，設置錯誤隊列的目的是防止環(huán)境噪聲對報警輸出的影響。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(shù)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(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，當所采集的溫度在上下限溫度之外時，TMP275會依據(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)錯誤數(shù))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(xù)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(xù)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(tǒng)的耐溫測試。

另外，器件還有節(jié)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(shù)據(jù)位來設定。

4.2 串行接口

TMP275的兩線數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線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(shù)據(jù)。在傳送期間，時鐘信號線為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA必須保持不變；只有在啟動／停止信號到來后，數(shù)據(jù)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(fā)出一個確認信號，并根據(jù)R／W位的狀態(tài)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(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。下一個字節(jié)或者幾個字節(jié)再依據(jù)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(shù)據(jù)，TMP275都將發(fā)送確認信息。主設備通過發(fā)送停止信號而終止數(shù)據(jù)傳輸。

4.2.3從設備發(fā)送模式

發(fā)送模式下，主設備先向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)。對于每一個成功接收到的數(shù)據(jù)，TMP275都將發(fā)送確認信息。主設備通過發(fā)送停止信號而終止數(shù)據(jù)傳輸。

5 TMP275在家庭環(huán)境監(jiān)控中的應用

5.1 節(jié)點簡介

本文的討論是以基于藍牙(Bluetooth)技術的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點為平臺，介紹溫度傳感器TMP275在環(huán)境監(jiān)控中的具體應用。該節(jié)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(jié)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(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達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(tǒng)，采用0.18 μm CMOS技術，集成了射頻、基帶、帶有全部集成藍牙協(xié)議棧的MCU以及收發(fā)器。

在本節(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。藍牙模塊的其他引腳在本節(jié)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。

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(xiàn)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(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和藍牙技術的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已經調試完畢，運行性能良好。