10位低功耗数字温度传感器的应用

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10位低功耗数字温度传感器的应用
武汉力源电子股份有限公司应用推广部（430079） 苏亦雄
摘  要  采用10位低功耗数字温度传感器进行温度测控，可大大简化设计方案，系统性能也更加稳定。重点介绍这种传感器的结构和使用。
关键词  数字温度传感器     OTI输出    故障排队
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1 概述
AD公司生产的数字温度传感器，内部包括一个带隙温度传感器和一个10位A/D转换器，精度可达0.25℃，是LM75的升级替换产品。可广泛应用于个人计算机、电子测试设备、办公设备、家用电器、过程控制等场合。
该系列有：AD7414、AD7415、AD7416、AD7814等四种型号，它们的工作原理相同，主要参数见表1，引脚排列如图1所示，引脚说明见表2。
表1 主要参数
型 号        AD7414        AD7415        AD7416        AD7814
接口方式        I2C /SM BUS        SPI / DSP
温度测量范围        －55～125℃－40～85℃        －40～85℃        －55～125℃        －55～125℃
超温指示        有        无        有        无
省电工作方式        无        有
最大并联数        3        8        1
工作电压        2.7～5.5V
转换时间        400μs
封装        SOT-23        SOT-23        SO-8/RM-8        SOT-23/uSOIC
　
图1 引脚图

图2 AD7416功能框图
2 器件主要组成
    以AD7416为例，器件功能框图如图2所示。由带隙温度传感器、10位A/D转换器、温度寄存器、可设点比较器、故障排队计数器等组成。
2.1 带隙温度传感器和10位A/D转换器
    传感器将温度转换成电压，再由A/D转换器转换成10位数字量送温度值寄存器。A/D转换器的一次转换时间约400μs。
2.2 温度值寄存器
    温度值寄存器是一个16位只读寄存器，它的高10位D15～D6由A/D转换器送来的数字量以补码格式储存，低6位D5～D0未用，如表3所示。
    温度数据格式见表4（小数点在D8、D7之间）。该表中显示了A/D转换器的全部理论范围－128℃至+127℃。实际应用中，温度的测量范围将取决于器件的正常工作温度范围，表中所列的数据为理论工作范围中的一些典型值。                表2 引脚说明
引脚
名称        说 明
GND        电源地
AS        逻辑输入,从三个I2C地址中选其一的地址输入
VDD        正电源电压，2.7～5.5V
SCL        串行总线时钟
OTI        超温掉电输出（漏极开路）
SDA        数字I/O。双向数据串行总线，漏极开路输出
A2～A0        串行总线地址可编程的低3位
DIN        串行数据输入
SCLK        串行时钟输入

片选输入
DOUT        串行数据输出
表3 温度值寄存器
D15        D14        D13        D12        D11        D10        D9        D8        D7        D6        D5～D0
B9        B8        B7        B6        B5        B4        B3        B2        B1        B0        未用

2.3 可设点比较器
    它对实际测量温度与预先设定的高（TOTI ）和低（THYST ）门限（寄存在图2中所示的上、下限寄存器中）进行比较，并在超温指示输出端（OTI）输出一个指示信号。OTI输出端需一个外部上拉电阻，通常为10kΩ。
    图3是一简单的风扇控制器，当温度超过80℃时它将接通冷却风扇，而在温度降到75℃时关断风扇。
2.4 故障排队计数器
    为了避免在噪声环境下的误触发，器件提供了一个故障排队计数器。例如，如果故障排队设置为4，则必须连续4次的测量温度大于TOTI（或小于THYST），OTI才输出有效。任何打断了这种持续的读操作将复位故障排队计数器，所以如果有三次读数大于TOTI，接着有一次读数小于TOTI，则故障排队计数器将被复位而不会触发OTI。
3 使用方法
3.1 数字温度传感器的安装
数字温度传感器可用于表面或空气温度检测。如用热传导的粘合剂将器件粘附在一个表面上，则管芯温度与表面温度之差大约在0.2℃之内。当环境空气温度与被测量的表面温度不同时，应将器件的背面和引线与空气隔离。接地引脚是通向管芯的最主要的热量路径，必须保证接地引脚也与被测温的表面有良好的热接触。数字温度传感器封装的小型化使其可以被安装在密封的金属探头中进行温度测量。
3.2 器件地址
    AD7814的地址由其片选信号 决定；

    AD7416的地址由A0、A1、A2决定，地址格式为：1001 A2A1A0 R/W；
    AD7414和AD7415的地址见表5。
3.3 多个数字温度传感器的系统
    D7416串行地址的低3位可以由用户设置，允许从1001000至1001111共8个地址中选择。图4示出了有8个AD7416接到一个串行总线的系统，它们的OTI输出“线与”，形成一个公共的中断请求线。                表4 温度值寄存器
温度        数字量输出
－128℃        10 0000 0000
－125℃        10 0000 1100
－100℃        10 0111 0000
－75℃        10 1101 0100
－50℃        11 0011 1000
－25℃        11 1001 1100
－0.25℃        11 1111 1111
0℃        00 0000 0000
+0.25℃        00 0000 0001
+10℃        0 0001 01000
+25℃        0 0011 00100
+50℃        0 0110 01000
+75℃        0 1001 01100
+100℃        0 1100 10000
+125℃        0 1111 10100
+127℃        0 1111 11100
图3 风扇控制器
表5 AD7414/AD7415的地址
器件型号        AS引脚连接方式        器件地址
AD7414.0        Floal        1001 000
AD7414.0        GND        1001 001
AD7414.0        VDD        1001 010
AD7414.1        Floal        1001 100
AD7414.1        GND        1001 101
AD7414.1        VDD        1001 110



                                        图4   8个AD7416并联

图5 评估电路
　
4 应用实例
    硬件原理图见图5。这是一个评估电路，可同时安装三片数字温度传感器:AD7414、AD7416、AD7814,软件轮流显示各器件所测得的环境温度，并模拟OTI输出，用LED指示。现作如下几点说明：
    （1）各器件的地址不同，而SDA、DOUT引线可直接相连；AD7414、AD7416的OTI输出线与（低电平有效），现作超限报警指示。
    （2）因温度的惯性系数较大，可采用简便有效的移动平均法、中值法、低通滤波法等进行软件滤波。在实际应用中，可边采样，边计算其平均值，以其平均值作为温度采样值。采样次数为8～16次即可。
    （3）本系统采用LCM103液晶模块作温度显示，X25045作上电复位及看门狗用。
    （4）AD7414、AD7416、AD7814的温度数据采样参考程序如下：
；伪定义                       
        ADCH        EQU        32H        ；采样值高字节
        ADCL        EQU        31H        ；采样值低字节
        ADCNUM        EQU        30H        ；采样次数
        ADCS        BIT        P1.5        ；AD7814片选
        ADSCLK        BIT        P1.1        ；AD7814时钟
        ADDOUT        BIT        P1.7        ；AD7814数据输出
        ADSCL        BIT        P1.1        ；AD7416时钟
        ADSDA        BIT        P1.7        ；AD7416数据I/O
        ••••••                       
；程序初始化                       
        ••••••                       
；AD7814的采样参考程序       
SAMPLE78:        MOV        ADCNUM, #8 ;采样8次
SE078:        CLR        ADCS ;选中AD7814
        MOV        R7, #16 ;产生16个取数脉冲
        MOV        ADCH, #0 ;A/D值高字节
        MOV        ADCL, #0 ;A/D值低字节
SE178:        CLR        ADSCLK
        NOP       
        NOP       
        JB        ADDOUT, SE178
SE378:        CLR        ADSCLK
        NOP       
        NOP       
        MOV        C, ADDOUT
        MOV        A, ADCL
        RLC        A
        MOV        ADCL, A
        MOV        A, ADCH
        RLC        A
        MOV        ADCH, A
        SETB        ADSCLK
        NOP       
        NOP       
        DJNZ        R7, SE378
        SETB        ADCS
        ••••••        ；进行数据处理
        DJNZ        ADCNUM, SE078
        RET       
；AD7416的采样参考程序；AD7414、AD7415与AD7416相似，但地址不同。
SAMPLE74:        MOV        ADCNUM, #8 ；连续采样8次
SE074：        MOV        R6, #9EH ；片选AD7416的地址写操作
        MOV        R5, #1 ；选中配置寄存器
        MOV        R4, #18H ；给配置寄存器赋值
        LCALL        WRCOM ；三字节的写操作
        MOV        R6，#10011110B
        MOV        R5，#3 ；选中温度上限寄存器
        MOV        R4，#40H ；上限温度=64
        LCALL        WRCOM
        MOV        R6，#10011110B
        MOV        R5，#2 ；选中温度下限寄存器
        MOV        R4，#20H ；上限温度=32
        LCALL        WRCOM
        MOV        R6，#10011110B
        MOV        R5，#0 ；选中温度寄存器
        MOV        WREXE ；两字节的写操作
        MOV        DATA1，#10011111B ；片选AD7416，读操作
        LCALL        RDCOM
        ••••••            ；数据处理
        DJNZ        ADCNUM，SE074 ；采样未完，返回
WRCOM：        LCALL        BEGIN ；三字节的写操作
        MOV        DATA1，R6
        LCALL        OUTBYTE ；输出字节
        MOV        DATA1，R5
        LCALL        OUTBYTE
        MOV        DATA1，R4
        LCALL        OUTBYTE
        LCALL        STOP
        RET       
WREXE：        LCALL        BEGIN ；两字节的写操作
        MOV        DATA1，R6
        LCALL        OUTBYTE
        MOV        DATA1，R5
        LCALL        OUTBYTE
        LCALL        STOP
        RET       
RDCOM：        LCALL        BEGIN ；读操作
        LCALL        OUTBYTE
        LCALL        INBYTE ；输入字节
        MOV        ADCH，DATA1
        LCALL        NACK ；MCU使ADSDA数据线变为低电平
        LCALL        INBYTE
        MOV        ADCL，DATA1
        LCALL        ACK ；MCU使ADSDA数据线变为高电平
        LCALL        STOP
        RET       
OUTBYTE:        MOV        R7,#8 ;输出字节
OE1：        MOV        A，DATA1
        RLCA       
        MOV        ADSDA，C
        MOV        DATA1，A
        LCALL        CLOCK
        DJNZ        R7，OE1
        LCALL        ACK ；AD7416产生应答
        RET       
INBYTE：        SETB        ADSDA ；输入字节
        MOV        R7，#8
INE1：        LCALL        CLOCK
        MOV        A，DATA1
        RLCA       
        MOV        DATA1，A
        DJNZ        R7，INE1
        RET       
NACK：        CLR        ADSDA ；AD7416无应答
        LCALL        CLOCK ；ADSDA数据线为0，一个时钟脉冲之后，ADSDA为1
        RET       
ACK：        SETB        ADSDA ；AD7416有应答
        LCALL        CLOCK ；ADSDA为1，一个时钟脉冲之后，ADSDA为0
        RET       
STOP：        CLR        ADSDA ；产生停止信号
        SETB        ADSCL
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        SETB        ADSDA
        RET       
BEGIN：        SETB        ADSDA ；产生开始信号
        SETB        ADSCL
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        CLR        ADSDA
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        CLR        ADSCL
        RET       
CLOCK：        NOP              ；产生时钟脉冲
        SETB        ADSCL
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        NOP       
        MOV        C，ADSDA
        CLR        ADSCL
        RET       
    总之,采用数字温度传感器，可使设计者完全打破传统的设计模式:传感器-运放-A/D转换，从而大大简化了设计方案，提高了电路的可靠性，轻松地实现标度变换过程。
参 考 文 献
1 AD7416具有二线接口的10位低功耗数字温度传感器数据手册. 武汉力源电子股份有限公司, 1999.8
2 AD7414 Data sheet. AD公司
3 AD7415 Data sheet. AD公司
4 AD7814 Data sheet. AD公司