恒温箱，现代实验室、生物培育乃至精密制造中不可或缺的“沉默守护者”。 其核心使命在于维持一个稳定、精确的温度环境。实现这一目标的关键钥匙，常握在小小的温度传感器手中。LM75 凭借其成熟、可靠、高性价比的特性，结合广泛使用的 I2C 接口，成为许多温度监控与控制系统，尤其是中小型恒温箱项目的理想选择。

一、 LM75：微型封装内的温度守护者

LM75 是一款由多家知名半导体厂商（如 NXP, Texas Instruments 等）提供的数字温度传感器芯片。它的核心竞争力在于：

1. 数字化输出： 无需外部复杂的 ADC 电路，通过 I2C 总线直接输出数字温度值，简化硬件设计和软件处理。
2. 精度可靠： 典型精度可达 ±2°C (在 -25°C 到 +100°C 范围内)，满足大多数恒温箱应用需求。测量范围通常覆盖 -55°C 至 +125°C。
3. 片上比较器： 内置可编程的温度阈值（TOS 超温关断阈值和 THYST 滞后温度）和报警输出引脚（OS）。一旦温度超过设定阈值，OS 引脚会触发（可配置为有效高或有效低）。这个特性对于构建具备硬件报警功能的低成本系统非常有用。
4. 低功耗： 典型工作电流极低（μA 级别），适用于电池供电或节能场景。
5. 小型封装： 常见的 SO-8 或 TSSOP-8 封装，占用空间极小。

二、 I2C 总线：LM75 与微控制器的沟通桥梁

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种简单、双向、两线制的同步串行总线标准，由 Philips（现 NXP）开发，因其连接简单（仅需 SDA 串行数据线 和 SCL 串行时钟线）、支持多主多从、成本低廉而广受欢迎。理解 I2C 通讯是配置 LM75 的基础：

1. 基础原理：

• 主从模式： 通信由主设备（通常是单片机、树莓派等）发起和控制，LM75 作为从设备被动响应。
• 地址寻址： 每个 I2C 从设备都有一个唯一的 7 位（或 10 位）地址。 LM75 的 7 位基础地址通常是 1001xxx，其中后三位 (xxx) 由芯片的地址引脚 A2, A1, A0 的电平决定。
• 通信流程： 主设备通过发送起始条件 (SDA 在 SCL 高时由高变低) 开始通信，接着发送从设备地址 + 读写位，等待从设备的应答信号 (ACK)。然后进行数据字节的传输（读或写），每个字节后跟随 ACK/NACK。最后以停止条件 (SDA 在 SCL 高时由低变高) 结束。

1. 配置 LM75：关键寄存器操作 LM75 内部有多个寄存器，通过 I2C 读写这些寄存器来配置其工作模式和读取数据：

• 指针寄存器： 决定后续读写操作的目标寄存器。向 LM75 写入的第一个字节通常就是指针寄存器的值。
• 温度寄存器： 存储转换后的温度值（16 位，包含符号位）。只需读取 2 个字节即可获得温度数据（高字节在前，低字节的低 5 位有效，代表 0.125°C 的分辨率）。
• 配置寄存器： 控制核心工作模式：
• 工作模式： 正常模式 (持续转换) vs 关断模式 (低功耗)。
• OS 输出模式： 比较器模式 (超温触发，低于滞后温度恢复) vs 中断模式 (超温触发锁存，需读取状态或复位清除)。
• OS 极性： 有效高或有效低。
• 故障队列： 防止短暂温度波动误触发报警（需连续超过阈值 N 次才触发）。
• TOS & THYST 寄存器： 分别设置超温关断阈值和滞后温度值（格式与温度寄存器类似）。

三、 构建恒温箱温度控制系统的核心思想

将 LM75 应用于恒温箱控制，核心目标是构建一个闭环反馈系统：

1. 系统组成框图：

[ 恒温箱腔体 ] <--> [ LM75 温度传感器 ] <-- I2C --> [ 微控制器 ]
|
| 控制信号
V
[ 执行机构 ]
(加热器/制冷器)

1. 闭环控制流程：

• 感知： MCU 通过 I2C 总线 定时读取 LM75 温度寄存器，获取箱内当前实际温度。
• 比较： MCU 将读取到的当前温度与预设的目标温度值进行比较。
• 计算： 根据偏差（目标值 - 当前值），应用控制算法计算出需要施加的控制量。
• 执行： MCU 将控制量转换为驱动信号（如 PWM 波），控制执行机构（加热电阻、半导体制冷片 TEC、继电器控制的大功率加热器等）工作。
• 反馈： 执行机构改变箱体温度，LM75 再次感知新温度，形成闭环。

1. 核心控制算法：PID 的力量 在恒温箱这类需要精密温控的场景中，PID 控制器是最常用且高效的选择：

• P (比例)： 输出与当前误差成正比。误差越大，控制力度越大。决定系统响应速度，但过大可能引起振荡。
• I (积分)： 输出与误差随时间的积累成正比。用于消除稳态误差（长期稳定在目标值附近的微小偏差）。过强可能导致系统反应迟钝或超调。
• D (微分)： 输出与误差变化的速率（即误差的微分）成正比。有预见性，能抑制振荡，加快系统稳定。但对噪声敏感。
• PID 算法的精髓在于合理调节 P、I、D 三个参数，使系统能够快速响应负荷变化、准确达到设定点并稳定维持，将温度波动控制在极小的范围内。 针对不同容积、保温性能、执行器特性的恒温箱，需要仔细调参。

四、 I2C 接口配置实战要点与系统优化

1. LM75 I2C 地址配置：

• 仔细查看 LM75 数据手册，明确其基础地址。务必正确连接地址引脚 A2, A1, A0 到 VCC（逻辑1）或 GND（逻辑0），为每个传感器设定 唯一的 I2C 地址。这在系统中需要多个传感器时至关重要。常见的配置如 0x48 (A2=0, A1=0, A0=0) 到 0x4F (A2=1,