溫濕度傳感器SHT11的感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 SHTll是瑞士sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。本文簡(jiǎn)要介紹了SHTll的基本特點(diǎn)、引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了SHTll的實(shí)用電路、軟件設(shè)計(jì)方法和溫濕度及露點(diǎn)的計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞 溫濕度傳感器 SHTll 感測(cè)系統(tǒng) 露點(diǎn)計(jì)算

1 SHTll簡(jiǎn)介
    SHTll是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車(chē)、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。共主要特點(diǎn)如下：
    ◆高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；
    ◆提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)．傳輸可靠性高；
    ◆測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程來(lái)選擇)；
    ◆測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；
    ◆封裝尺寸超小(7．62 mm×5．08 mm×2．5 mm)，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；
    ◆高可靠性，采用CMOSens工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中。

2 SHTll的引腳功能
    SHTll溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡(jiǎn)單，引腳名稱(chēng)及排列順序如圖l所示。

    各引腳的功能如下：
    ◇腳1和4——信號(hào)地和電源，其工作電壓范圍是2．4～5．5 V；
    ◇腳2和腳3——二線串行數(shù)字接口，其中DA-TA為數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；
    ◇腳5～8——未連接。

3 SHTll的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
    溫濕度傳感器SHTl1將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器；最后經(jīng)過(guò)二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測(cè)量過(guò)程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)自傳感器的信號(hào)，此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHTll的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(>95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHTll溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。

    微處理器是通過(guò)二線串行數(shù)字接口與SHTl1進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I／O口模擬該通信時(shí)序。微處理器對(duì)SHTll的控制是通過(guò)5個(gè)5位命令代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。

4 SHTll應(yīng)用設(shè)計(jì)
    微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHTll進(jìn)行通信，所以硬件接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計(jì)中，需要用微處理器通用I／O口模擬通信協(xié)議。
4.1 硬件設(shè)計(jì)
    SHTl1通過(guò)二線數(shù)字串行接口來(lái)訪問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHTll之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCK最低頻率沒(méi)有要求；當(dāng)工作電壓高于4．5V時(shí)，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4．5 V時(shí)，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖3所示。

4．2 軟件設(shè)計(jì)
    微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開(kāi)始，微處理器需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)，如圖4所示。當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖剑辉赟CK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。

    SHTll濕度測(cè)試時(shí)序如圖5所示。其中，陰影部分為SHTll控制總線。主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令，隨后發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼。該命令碼包含3個(gè)地址位(芯片設(shè)定地址為000)和5個(gè)命令位；發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHTll的響應(yīng)；SHTll接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線；釋放總線后，從機(jī)開(kāi)始測(cè)量當(dāng)前濕度，測(cè)量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，得知濕度測(cè)量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時(shí)鐘信號(hào)；從機(jī)在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)，然后釋放總線DATA；在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來(lái)的SCK下降沿，主機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號(hào)；最后8個(gè)SCK下降沿從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，主機(jī)不予應(yīng)答(NACK)則表示測(cè)量結(jié)束。

    由于微處理器通過(guò)二線串行數(shù)字接口訪問(wèn)濕度傳感器SHTll，而訪問(wèn)協(xié)議是芯片生產(chǎn)商自定義的，所以需要用通用I/O口模擬該通信協(xié)議。我們選用Atmel公司的微處理器ATmegal28。通過(guò)對(duì)I／O口寄存器的編程，該處理器的I/O口可以根據(jù)需要設(shè)置成輸入、輸出、高阻等狀態(tài)，這為模擬該通信協(xié)議提供了條件。在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)宏定義來(lái)實(shí)現(xiàn)I／O口狀態(tài)的改變。

    通過(guò)以上宏定義，可以實(shí)現(xiàn)SCK和DATA總線的各種輸入和輸出狀態(tài)。為了模擬該二線串行數(shù)字協(xié)議，還需要一個(gè)延時(shí)函數(shù)。WINAVR庫(kù)函數(shù)提供了一個(gè)延時(shí)函數(shù)_delay_loop_2(unslgned char s)，該延時(shí)函數(shù)運(yùn)行用4個(gè)時(shí)鐘周期，所以白定義延時(shí)1μs函數(shù)可以定義如下：#deftne CPU_CRYSTAL 7.3728

    基于以上宏定義和延時(shí)函數(shù)，可以方便地使SCK和DATA總線輸出持續(xù)一定時(shí)間的高電平或低電平，從而可以模擬圖5所示的溫濕度傳感器SHTll的讀寫(xiě)協(xié)議。
4．3 溫度和濕度值的計(jì)算
4.3.1 濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償
    SHTll可通過(guò)DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱(chēng)為“相對(duì)濕度”，需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值。由于相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值：
   
式中：RHincar為經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償后的濕度值，SORH為相對(duì)濕度測(cè)量值，C1、C2、C3為線性補(bǔ)償系數(shù)，取值如表2所列。

    由于溫度對(duì)濕度的影響十分明顯，而實(shí)際溫度和測(cè)試參考溫度25℃有所不同，所以對(duì)線件補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償公式如下：

   
式中：RHtrue為經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值，T為測(cè)試濕度值時(shí)的溫度(℃)，t1和t2為溫度補(bǔ)償系數(shù)，取值如表3所列。
4.3.2 溫度值輸出
    由于SHTll是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感元件，因而具有很好的線性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得：
    Temperture=dl+d2×SOT
式中：d1和d2為特定系數(shù)，d1的取值與SHTll工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHTll內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如表4和表5所列。

4.3.3 露點(diǎn)計(jì)算
    露點(diǎn)是一個(gè)特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，空氣容納不了過(guò)多的水分，這些水分會(huì)變成霧、露水或霜。露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前相對(duì)濕度值和溫度值計(jì)算得出，具體的計(jì)算公式如下：

式中：T為當(dāng)前溫度值，SORH為相對(duì)濕度值，DP為露點(diǎn)。

5 結(jié)論
    溫濕度傳感器SHTll集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，因此采用SHTll進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；另外SHTll芯片內(nèi)部集成了14位A／D轉(zhuǎn)換器，且采用數(shù)字信號(hào)輸出，因此抗干擾能力也比同類(lèi)芯片高。該芯片在溫濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。