基于12C总线接口的智能温度传感器TMPl01

1 概述
TMPl01是TI公司生产的基于I2C串行总线接口的低功耗、高精度智能温度传感器,其内部集成有温度传感器、A/D转换器、I2C串行总线接口等。宽泛的温度测量范围和较高的分辨率使其广泛应用于多领域的温度测量系统、多路温度测控系统以及
各种恒温控制装置。TMPl01具有以下性能特点:

1)带有I2C总线,通过串行接口(SDA,SCI)实现与单片机的通信,其I2C总线上可挂接3个TMPl01器件,构成多点温度测控系统。

2)温度测量范围为－55％~125℃,9～12位A/D转换精度,12位A/D转换的分辨率达0.0625~C。被测温度值以符号扩展的16位数字量方式串行输出。

3)电源电压范围宽(＋2.7 V～＋5.5 V),静态电流小(待机状态下仅为O.1μA)。

4)内部具有可编程的温度上、下限寄存器及报警(中断)输出功能,内部的故障排队功能可防止因噪声干扰引起的误触发,从而提高温控系统的可靠性。

2 TMPl01引脚功能和内部结构

2.1 TMPl01引脚功能

TMPl01硬件连接简便,运行时除了SDA、SCI．和ALERT线上需要加上拉电阻外不需外接器件．TMPl01采用SOT23-6封装,引脚排列如图1所示,引脚功能如下：

SCL:串行时钟输入端;
GND:接地端;
ALERT:总线报警(中断)输出端，漏极开路输出;
V+：电源端;
ADD0:I2C总线的地址选择端;
SDA:串行数据输入/输出端。电源与接地端之间接有一只0.1μF的耦合电容。

2.2 TMPl01内部结构

TMP101内部结构框图如图2所示,TMP101内部含有二极管温度传感器、△-∑型A/D转换器、时钟振荡器、控制逻辑、配置寄存器、温度寄存器以及故障排队计数器。TMP101首先通过内部温度传感器产生一个与被测温度成正比的电压信号,再通过12位△-∑型A/D转换器将电压信号转换为与摄氏温度成正比的数字量并存储在内部的温度寄存器中。该器件根据用户在温度上下限寄存器中设定的THIGH和TLOW,通过温度窗口比较器决定是否启动报警输出。系统上电后器件处于缺省状态,其温度报警缺省阈值为:上限温度THIGH=80℃温度TLOW=75℃。

3 TMP101工作原理

TMPl01的I2C总线串行数据接口线SDA和串行时钟接口线SDA由主控制器控制．主控制器作为主机,TMP101作为从机并支持12C总线协议的读／写操作命令。首先通过主控制器对其进行地址设定。使主控制器对挂接在总线上的TMP1O1进行地址识别。为了能够正确获取TMP101内部温度寄存器中的温度值数据,要通过I2C总线对TMP101内部相关寄存器写相应的数据,设定温度转换结果的分辨率、转换时间、报警输出的上、下限温度值以及工作方式等．也就是对TMPl01内部的配置寄存器、上限温度寄存器和下限温度寄存器进行初始化设置。

3.1 TMP1O1的地址设置

根据12C串行总线规范,TMP1O1有一个7位的从器件地址码,其有效位为"10010",其余两位根据引脚ADD0接地、悬空和接电源端的不同分别设置为"00"、"01"、"10"。一条I2C总线上可挂接3个TMPl01器件。

3.2 TMP101内部寄存器

TMP101的功能实现和工作方式主要是由内部5个寄存器确定,如图3所示,这些寄存器分别是地址指针寄存器、温度寄存器、配置寄存器、上限温度(TL)寄存器和下限温度(TH)寄存器。后4个寄存器均属于数据寄存器。

地址指针寄存器为8位可读/写寄存器,内部存储了要读写的其余4个数据寄存器的地址,在读写操作中。通过设定地址指针寄存器的内容确定要访问的寄存器。在8位数据字节中,前6位全部设置为0,后2位用于选择寄存器,后2位P0、P1的值与选择的寄存器关系如表l所列。

温度寄存器为16位可读寄存器,温度寄存器存储经A/D转换后的12位温度数据,后4位全补为O,以构成2字节的可读寄存器。也可以通过设置配置寄存器的内容来获得9、10、ll、12位不同的转换结果。

配置寄存器为8位可读/写寄存器,数据格式如表2所列。通过配置寄存器设置器件的工作方式。Rl/R0为温度传感器转换分辨率配置位,可以设定内部．A/D转换器的分辨率及转换时间:F1/F0为故障排队次数配置位,当被测温度连续超过n次(通过设置Fl/F0位),就会有报警输出;POL为ALERT极性位,通过POL的设置,可以使控制器和ALERT输出的极性一致:SD用来设置器件是否工作在关断模式：在关断模式下,向OS/ALERT位写l可以开启一次温度转换,在温度比较模式下,该数据位可提供比较模式的状态。

4 与PICl8F458单片机的接口

TMP101以高精度的测量结果和超小型贴片封装广泛应用于各种温度测量系统、电源管理系统、温度监控装置以及恒温控制装置中，通过其串行数据接口线SDA和串行时钟接口线SCL可方便地与微控制器相连接,构成一个温度测量系统。图4所示为PIC18F458单片机与TMP101的连接应用电路。

4.1 PICl8F458简介

PICl8F458是美国Microchip公司生产的单片机。片内集成了A/D转换器、EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信(USART)接口电路、CAN总线接口电路、Flash程序存储器等,功能强大,设计电路简单可靠。

4.2 TMP101初始化设置

要获取TMP101中的温度值数据,首先应通过PICl8F458单片机对TMP101内部的配置寄存器、上限温度寄存器和下限温度寄存器进行初始化设置。其过程为:PICl8F458单片机对TMP101写地址,然后写配置寄存器地址到指针寄存器,最后写入数据到配置寄存器。PICl8F458单片机对TMP101配置寄存器写操作的时序如图5所示,上、下限温度寄存器的写时序和配置寄存器的写时序同理。

4.3 TMP101读数据

读取TMP101内部温度寄存器当前值的过程是:首先写入要读的TMP101,然后写入要读的
TMP101内部温度寄存器,向I2C总线上发送一个"重启动信号",并将TMP101地址字节也重发一次,改变数据的传输方向,从而再进行读取温度寄存器的操作。单片机对TMPl01温度寄存器读操作的时序如图6所示。

图6可以解释为:在串行数据线SDA和串行时钟线SCL的时序配合下,将PICl8F458单片机的启动使能位SEN置位建立启动信号时序,紧接着单片机将要读的TMP101地址字节写入缓冲器,并通过单片机内部移位寄存器将字节移送至SDA引脚,8位地址字节的前7位是TMP101的受控地址,后l位为读/写控制位(为"O"时表示写操作)。写地址字节完成后,在第9个时钟脉冲周期内,单片机释放SDA,以便TMP101在地址匹配后,能够反馈一个有效应答信号供单片机检测接收。第9个时钟脉冲之后,SCL引脚保持为低电平,SDA引脚电平保持不变,直到下一个数据字节被送入缓冲器为止。然后再写入要读的TMP101内部温度寄存器地址字节,其过程与TMPl01地址字节的写操作同理。通过向总线上发送"重启动信号",改变数据的传输方向,此时寻址字节也要重发一次,但对TMP101的地址字节已变为读操作,再读取TMP101内部温度寄存器的地址字节,最后读出TMP101内部温度寄存器中的温度值数据字节,被测温度值以符号扩展的16位数字量方式串行输出。单片机每接收一个字节都要反馈一个应答信号,此时要注意单片机反馈的应答信号和TMP101反馈的应答信号是不同的,最后通过设置停止使能位,发送一个停止信号时序到总线上,表明此次通信终止。

5 结束语

介绍了基于I2C串行总线接口的数字智能温度传感器TMP101的性能、结构和工作原理,以及与PICl8F458单片机的实际应用,并成功地运用到"基于单片机的智能教室控制系统"中,该系统能显示教室内实际检测到的温度值,并通过RS-485通讯数据线传输到上位机进行实时显示,测量结果精度高，系统运行稳定。