高精度溫濕度傳感器SHT2x的應(yīng)用

摘要：介紹了基于STC11系列單片機(jī)和Sensirion公司新一代高精度溫濕度傳感器SHT2x的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。SHT2x完全標(biāo)定，具有精度高、功耗低、穩(wěn)定度好、體積小和數(shù)字輸出等特點(diǎn)，非常適合于在便攜和移動(dòng)設(shè)備中對(duì)溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：濕度；溫度；傳感器；單片機(jī)；SHT2x

引言
    新一代Sensirion溫濕度傳感器SHT2x，采用適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳DFN無(wú)鉛封裝，底面3 mm×3mm，高度1．1 mm，具有超小型的體積，特別適合移動(dòng)測(cè)量設(shè)備。傳感器輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，是標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線格式。SHT2x配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的4C代CMOSens芯片、一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電容式濕度傳感元件和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的能隙溫度傳感元件，內(nèi)置放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元，能同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度。SHT2x的性能和可靠性，特別是在高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，相對(duì)于前一代傳感器SHT1x和SHT7x有很大提升，而數(shù)據(jù)傳輸操作更為簡(jiǎn)單。每一個(gè)傳感器都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和測(cè)試，在芯片內(nèi)存儲(chǔ)了電子識(shí)別碼，可以通過(guò)輸入命令讀出這些識(shí)別碼。此外，SHT2x的分辨率可以通過(guò)輸入命令進(jìn)行改變，傳感器可以檢測(cè)到電池低電量狀態(tài)，有極低功耗的節(jié)能模式，具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。SHT2x系列中最高精度的SHT25的相對(duì)濕度測(cè)量精度達(dá)到1．8％，溫度測(cè)量精度為0．2。

1 接口和通信協(xié)議
1．1 芯片引腳、信號(hào)和時(shí)序說(shuō)明
    SHT2x使用了6引腳封裝中的4個(gè)引腳，分別是電源VDD、地VSS、雙向串行時(shí)鐘SCL和雙向串行數(shù)據(jù)SDA。SHT2x供電范圍為2．1～3．6 V，推薦電壓為3．0 V。SCK用于微處理器與SHT1x之間的通信同步。
    SDA引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出。當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時(shí)，SDA在串行時(shí)鐘SCL的上升沿有效，且當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA必須保持穩(wěn)定。在SCL下降沿之后，SDA值可被改變。為確保通信安全，SDA的有效時(shí)間在SCL上升沿之前和下降沿之后應(yīng)該分別延長(zhǎng)至tSU和tHD，數(shù)字輸入／輸出端時(shí)序如圖1所示。當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，SDA在SCL變低以后有效tVD時(shí)長(zhǎng)，且維持到下一個(gè)SCL的下降沿。圖1中的縮略語(yǔ)在表1中解釋。圖1中DATA OUT SDA由傳感器控制，DATA IN SDA由MCU控制。SDA有效讀取時(shí)間由前一個(gè)轉(zhuǎn)換的下降沿觸發(fā)。

1．2 通信協(xié)議
    SHT2x采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議進(jìn)行通信，所有傳感器都被設(shè)置為相同的7位I2C總線地址1000 000。
1．2．1 傳感器的啟動(dòng)與停止時(shí)序
    上電后，傳感器需要15 ms時(shí)間以達(dá)到空閑狀態(tài)，即準(zhǔn)備接收由主機(jī)(MCU)發(fā)送的命令，此時(shí)SCL為高電平。每個(gè)傳輸序列都以啟動(dòng)傳輸狀態(tài)(S)作為開(kāi)始，并以停止傳輸狀態(tài)(P)作為結(jié)束。圖2是啟動(dòng)傳輸狀態(tài)的時(shí)序圖。

    當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。開(kāi)始狀態(tài)是由主機(jī)控制的一種特殊的總線狀態(tài)，指示從機(jī)傳輸開(kāi)始，啟動(dòng)之后，總線處于占線狀態(tài)。圖3是停止傳輸狀態(tài)的時(shí)序圖。

    當(dāng)SCL高電平時(shí)，SDA由低電平轉(zhuǎn)換為高電平。停止?fàn)顟B(tài)是由主機(jī)控制的一種特殊的總線狀態(tài)，指示從機(jī)傳輸結(jié)束，停止之后，總線處于閑置狀態(tài)。
1．2．2 發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)
    在啟動(dòng)傳輸后，隨后傳輸?shù)氖鬃止?jié)包括7位的I2C總線設(shè)備地址和一個(gè)SDA方向位，讀為“1”，寫(xiě)為“0”。在第8個(gè)SCL時(shí)鐘下降沿之后，通過(guò)拉低SDA引腳(ACK位)，指示傳感器數(shù)據(jù)接收正常。在發(fā)出測(cè)量命令之后主機(jī)必須等待測(cè)量完成?；镜拿钤诒?中進(jìn)行說(shuō)明，有兩種不同的方式可選——主機(jī)模式或非主機(jī)模式。

    MCU與傳感器之間的通信有兩種不同的工作模式：主機(jī)模式和非主機(jī)模式。在主機(jī)模式下，在測(cè)量的過(guò)程中，SCL線被封鎖(由傳感器進(jìn)行控制)；在非主機(jī)模式下，當(dāng)傳感器在執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，SCL線仍然保持開(kāi)放狀態(tài)，可進(jìn)行其他通信。非主機(jī)模式允許傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)在總線上處理其他I2C總線通信任務(wù)。本文只涉及主機(jī)模式，其時(shí)序如圖4所示。

    在主機(jī)模式下測(cè)量時(shí)，SHT2x將SCL拉低，強(qiáng)制主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。通過(guò)釋放SCL線，表示傳感器內(nèi)部處理工作結(jié)束，進(jìn)而可以繼續(xù)數(shù)據(jù)傳送。
    圖4中灰色部分由SHT2x控制。如果要省略校驗(yàn)和(CRC)傳輸，可將第45位改為NACK，之后接一個(gè)傳輸停止時(shí)序。
    由于測(cè)量的最大分辨率為14位，第2個(gè)字節(jié)SDA上的后兩位LSB，即第43和44位用來(lái)傳輸相關(guān)的狀態(tài)信息，第43位表示測(cè)量的類(lèi)型，“0”表示測(cè)量溫度，“1”表示測(cè)量濕度，第0位當(dāng)前沒(méi)有使用。
    在圖4中，傳感器輸出為0110 0011 0101 0010。在進(jìn)行物理?yè)Q算時(shí)，后兩位狀態(tài)位應(yīng)置0。
    所需最長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間取決于測(cè)量類(lèi)型和分辨率，最高分辨率14位的測(cè)量時(shí)間最大值為85 ms，測(cè)量時(shí)間的最大值由MCU控制。

2 信號(hào)轉(zhuǎn)換
    傳感器內(nèi)部設(shè)置的默認(rèn)分辨率是最高分辨率，即相對(duì)濕度12位、溫度14位。SDA的輸出數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，高字節(jié)MSB在前，低字節(jié)LSB在后，左對(duì)齊。每個(gè)字節(jié)后面都跟隨兩個(gè)狀態(tài)位和一個(gè)應(yīng)答位。兩個(gè)狀態(tài)位，即LSB的后兩位在進(jìn)行物理計(jì)算前須置0。這樣在圖4的示例中，所傳輸?shù)?6位相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為SRH=0110 0011 0101 0000=25 424。
2．1 相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換公式
    相對(duì)濕度RH可以根據(jù)SDA輸出的相對(duì)濕度信號(hào)SRH通過(guò)下面的公式計(jì)算，單位以％RH表示。
    RH=-6+125·(SRH／216)
    對(duì)于圖4的例子，相對(duì)濕度的計(jì)算結(jié)果為42．5％RH。RH物理值對(duì)應(yīng)于世界氣象組織(WMO)所規(guī)定的基于液態(tài)水的相對(duì)濕度。
2．2 溫度轉(zhuǎn)換公式
    溫度T可以通過(guò)SDA溫度輸出信號(hào)ST代入到下面的公式計(jì)算得到，單位以℃表示。
    T=-46．85+175．72·(ST／216)
    相對(duì)濕度和溫度轉(zhuǎn)換公式對(duì)所有分辨率都適用。
    用溫度和濕度可以計(jì)算露點(diǎn)，相關(guān)公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

3 硬件設(shè)計(jì)
    電路設(shè)計(jì)中，PCB布局、布線，組裝工藝對(duì)器件的精度影響很大，為保證器件和系統(tǒng)的精度，硬件設(shè)計(jì)需考慮多方因素。圖5是某個(gè)多點(diǎn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中與SHT2x相關(guān)部分的電路圖。MCU采用STC11L16XE，STC11系列MCU的唯一ID號(hào)在識(shí)別多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)很方便，其掉電自喚醒功能以極低的功耗延長(zhǎng)電池壽命，I／O引腳模式可控的強(qiáng)推挽輸出可以用作SHT2x的可控電源。另外，STC11系列的低電壓中斷可用于電池電壓監(jiān)測(cè)，超大的EEPROM可以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

    電路中包括了上拉電阻R1、R2和VDD與GND之間的去耦電容。布局時(shí)，電容的位置應(yīng)盡量靠近傳感器。
    將P3．5引腳設(shè)置為強(qiáng)推挽，輸出電流可達(dá)20 mA，而SHT2x的最大工作電流為330μA。I／O口高電平電壓約為3 V，這是SHT2x的推薦工作電壓。用MCU的一個(gè)引腳提供可控電源，可以將SHT2x的靜態(tài)電流減小到0。
    SHT2x是一種混合信號(hào)IC，需要低噪聲供電。通過(guò)MCU的引腳供電，易受MCU電源的數(shù)字噪聲的影響。因此，要在MCU的供電引腳加一個(gè)RC濾波器，圖5中的R1和C1構(gòu)成了一個(gè)RC濾波器。
    在布線時(shí)，如果SCL和SDA信號(hào)線相互平行并且非常接近，有可能導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_和通信失敗。解決方法是在兩個(gè)信號(hào)線之間放置GND，將信號(hào)線隔開(kāi)。
    可以使用標(biāo)準(zhǔn)的回流焊爐對(duì)SHT2x進(jìn)行焊接?；亓骱附雍?，需將傳感器在>75％RH的環(huán)境下存放至少12小時(shí)，以保證聚合物的重新水合，否則將導(dǎo)致傳感器讀數(shù)的漂移。也可以將傳感器放置在自然環(huán)境(>40％RH)下5天以上，使其重新水合。
    無(wú)論是手動(dòng)焊接還是回流焊接，在焊接后都不允許沖洗電路板。建議使用“免洗”型焊錫膏。
    如果將傳感器應(yīng)用于腐蝕性氣體中或有冷凝水產(chǎn)生(如高濕環(huán)境)，引腳焊盤(pán)與PCB都需要密封以避免接觸不良或短路。
    如果傳感器與易發(fā)熱的電子元件在同一個(gè)印刷線路板上，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)采取措施，盡可能將熱傳遞的影響減小到最小。SHT2x與印刷電路板其他部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，或在兩者之間開(kāi)一道縫隙。

4 軟件設(shè)計(jì)
    在軟件中需控制測(cè)量頻率，當(dāng)測(cè)量頻率過(guò)高時(shí)，傳感器的自身溫度會(huì)升高，從而影響測(cè)量精度。如果要保證它的自身溫升低于0．1℃，SHT2x的激活時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)量時(shí)間的10％。例如在12位測(cè)量時(shí)，每s測(cè)量次數(shù)最多不超過(guò)2次。
    編譯器使用Keil C51，基于STC11系列MCU的采集SHT2x的主要程序和注釋略——編者注。

結(jié)語(yǔ)
    SHT2x濕溫度傳感器比其上一代產(chǎn)品SHT1x有更高的精度，體積更小，測(cè)量范圍更寬，MCU對(duì)其控制和操作更加方便。
    本文介紹的應(yīng)用系統(tǒng)在掉電休眠時(shí)實(shí)測(cè)電流為15μA。采用LQFP-44封裝的STC11系列MCU作為控制器與SHT2x組成的溫濕度采集系統(tǒng)具有體積小、功耗低、多點(diǎn)ID識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)，加上無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元可以構(gòu)成很適合電池供電的小型無(wú)線溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。