I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。文中對(duì)傳感器的性能特點(diǎn)、接口時(shí)序與命令進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，給出了SHT11與單片機(jī)的接口電路及相應(yīng)程序。 關(guān)鍵詞：數(shù)字式;溫濕度傳感器;I2C總線;單片機(jī) 1　概述 溫濕度的測(cè)量在倉(cāng)儲(chǔ)管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測(cè)、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。 2　性能特點(diǎn)

SHT11溫濕度傳感器的主要特性如下： ●將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片(CMOSensTM技術(shù)); ●可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出; ●帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口; ●具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能; ●具有卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性; ●濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位; ●小體積(7.65%26;#215;5.08%26;#215;23.5mm)，可表面貼裝; ●具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能; ●片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100%互換性; ●電源電壓范圍為2.4～5.5V; ●電流消耗,測(cè)量時(shí)為550μA，平均為28μA，休眠時(shí)為3μA。

SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，管腳排列如圖1所示，其引腳說(shuō)明如下： (1)GND：接地端; (2)DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線; (3)SCK：串行時(shí)鐘輸入; (4)VDD電源端：0.4～5.5V電源端; (5～8)NC：空管腳。 3　工作原理 SHT11的濕度檢測(cè)運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來(lái)組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來(lái)自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測(cè)量精度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。SHT11傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)。

由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其它類(lèi)型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)完成，則降低了傳感器對(duì)干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過(guò)I2C總線與任何類(lèi)型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡(jiǎn)化了接口方式。 3.1 輸出特性 (1)濕度值輸出 SHT11可通過(guò)I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，其相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性曲線如圖3所示。由圖3可看出，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按如下公式修正濕度值： RHlinear=c1+c2SORH+c3SORH2 式中，SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)取值如下： 12位：SORH：c1=-4，c2=0.0405，c3=-2.8%26;#215;10-6 8位：SORH：c1=-4，c2=0.648，c3=-7.2%26;#215;10-4 (2)溫度值輸出 由于SHT11溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值： T=d1+d2SOT 當(dāng)電源電壓為5V，且溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1=-40?d2=0.01，當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1=-40?d2=0.04。 (3)露點(diǎn)計(jì)算 空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值來(lái)得出，具體的計(jì)算公式如下： LogEW=(0.66077+7.5T/(237.3+T)+[log10(RH)-2] Dp=[(0.66077-logEW)%26;#215;237.3]/(logEW-8.16077) 3.2 命令與接口時(shí)序 SHT11傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見(jiàn)表1所列。下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。 表1 SHT11傳感器命令列表 命 令編 碼 說(shuō) 明 測(cè)量溫度 00011 溫度測(cè)量 測(cè)量濕度 00101 濕度測(cè)量 讀寄存器狀態(tài) 00111 “讀”狀態(tài)寄存器 寫(xiě)寄存器狀態(tài) 00110 “寫(xiě)”狀態(tài)寄存器 軟啟動(dòng) 11110 重啟芯片，清除狀態(tài)記錄器的錯(cuò)誤記錄11毫秒后進(jìn)入下一個(gè)命令(1)傳輸開(kāi)始 初始化傳輸時(shí)，應(yīng)首先發(fā)出“傳輸開(kāi)始”命令，該命令可在SCK為高時(shí)使DATA由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒃谙乱粋€(gè)SCK為高時(shí)將DATA升高。 接下來(lái)的命令順序包含三個(gè)地址位(目前只支持“000”)和5個(gè)命令位，當(dāng)DATA腳的ack位處于低電位時(shí)，表示SHT11正確收到命令。 (2)連接復(fù)位順序 如果與SHT11傳感器的通訊中斷，下列信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位：即當(dāng)DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK 9次以上(含9次)，此后應(yīng)接著發(fā)一個(gè)“傳輸開(kāi)始”命令。 表2 SHT11狀態(tài)寄存器類(lèi)型及說(shuō)明 位類(lèi)型說(shuō) 明缺 省　 7 　保留 0 　 6 讀工檢限(低電壓檢查) X 　 5 　保留 0 　 4 　保留 0 　 3 　只用于試驗(yàn)，不可以使用 0 　 2 讀/寫(xiě)加熱 0 關(guān) 1 讀/寫(xiě)不從OTP重下載 0 重下載 0 讀/寫(xiě) "1"=8位相對(duì)濕度，12位溫度分辨率。"0"=12位相對(duì)濕度，14位濕度分辨率 0 12位相對(duì)濕度，14位濕度(3)溫濕度測(cè)量時(shí)序 當(dāng)發(fā)出了溫(濕)度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成。使用8/12/14位的分辨率測(cè)量分別需要大約11/55/210ms的時(shí)間。為表明測(cè)量完成，SHT11會(huì)使數(shù)據(jù)線為低，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK，然后傳送兩字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和?？刂破鞅仨毻ㄟ^(guò)使DATA為低來(lái)確認(rèn)每一個(gè)字節(jié)，所有的量均從右算，MSB列于第一位。通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒(méi)有用CRC-8校驗(yàn)和，則控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后保持ack為高來(lái)停止通訊，SHT11在測(cè)量和通訊完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。需要注意的是：為使SHT11的溫升低于0.1℃?此時(shí)的工作頻率不能大于標(biāo)定值的15%(如：12位精確度時(shí)，每秒最多進(jìn)行3次測(cè)量)。測(cè)量溫度和濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖4所示。 圖4 3.3 寄存器配置 SHT11傳感器中的一些高級(jí)功能是通過(guò)狀態(tài)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，寄存器各位的類(lèi)型及說(shuō)明見(jiàn)表2所列。下面對(duì)寄存器相關(guān)位的功能說(shuō)明： (1)加熱 使芯片中的加熱開(kāi)關(guān)接通后，傳感器溫度大約增加5℃，從而使功耗增加至8mA@5V。加熱用途如下： ●通過(guò)對(duì)啟動(dòng)加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比較，可以正確地區(qū)別傳感器的功能; ●在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過(guò)加熱來(lái)避免冷凝。 (2)低電壓檢測(cè) SHT11工作時(shí)可以自行檢測(cè)VDD電壓是否低于2.45V，準(zhǔn)確度為%26;#177;0.1V。 (3)下載校準(zhǔn)系數(shù) 為了節(jié)省能量并提高速度，OTP在每次測(cè)量前都要重新下載校準(zhǔn)系數(shù)，從而使每一次測(cè)量節(jié)省8.2ms的時(shí)間。 (4)測(cè)量分辨率設(shè)定 將測(cè)量分辨率從14位(溫度)和12位(濕度)分別減到12位和8位可應(yīng)用于高速或低功耗場(chǎng)合。

4　應(yīng)用說(shuō)明 4.1 運(yùn)行條件 測(cè)量量程以外的溫度會(huì)使?jié)穸刃盘?hào)暫時(shí)地偏移+3%。然后傳感器會(huì)慢慢返回到校準(zhǔn)條件。若將芯片在濕度小于5%環(huán)境下加熱24小時(shí)到90℃，芯片就會(huì)迅速恢復(fù)高相對(duì)濕度、高溫度環(huán)境的影響，但是，延長(zhǎng)強(qiáng)度條件會(huì)加速芯片的老化。 4.2 安裝注意事項(xiàng) 由于大氣的相對(duì)濕度與溫度的關(guān)系比較密切，因此，測(cè)量大氣溫度時(shí)的要點(diǎn)是將傳感器與大氣保持同一溫度，如果傳感器線路板上有發(fā)熱元件，SHT11應(yīng)與熱源保持良好的通風(fēng)，為減少SHT11和PCB之間的熱傳導(dǎo)，應(yīng)使銅導(dǎo)線最細(xì)并在其中加上窄縫，同時(shí)應(yīng)避免使傳感器在強(qiáng)光或UV下曝曬。 傳感器在布線時(shí)，SCK和DATA信號(hào)平行且相互接近，或信號(hào)線長(zhǎng)于10cm時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生干擾信息，此時(shí)應(yīng)在兩組信號(hào)之間放置VDD或GND。 5　具體應(yīng)用 圖5是AT89C2051單片機(jī)與SHT11的接口電路。由于AT89C2051不具備I2C總線接口，故使用單片機(jī)通用I/O口線來(lái)虛擬I2C總線，并利用P1.0來(lái)虛擬數(shù)據(jù)線DATA，利用P1.1口線來(lái)虛擬時(shí)鐘線，并在DATA端接入一只4.7kΩ的上拉電阻，同時(shí)，在VDD及GND端接入一只0.1μF的去耦電容。下面給出與上述硬件電路配套的C51應(yīng)用程序。 #define DATA P1_1 #define SCK P1_0 #define ACK 1 #define noACK 0 #define MEASURE_TEMP 0x03 //測(cè)量溫度命令 #define MEASURE_HUMI 0x05 //測(cè)量濕度命令 //讀溫濕度數(shù)據(jù) char s-measure(unsigned char *p- value, un-signed char *p_checksum, unsigned char mode) { unsigned char error=0; unsigned int i; s_transstart(); //傳輸開(kāi)始 switch(mode){ case TEMP:error+=s_write_byte(measure_temp); break; case HUMI:error+=s_write_byte(measure_humi);break; default:break; } for(i=0;i<65535;i++) if(DATA==0) break; if (DATA) reeor+=1; *(p_value)=s_read_byte(ACK); *(p_value+1)=s_read_byte(ACK); *p_checksum=s_read_byte(noACK); return error; } //溫濕度值標(biāo)度變換及溫度補(bǔ)償 void calc_sth15(float *p_humidity,float *p_tempera-ture) { const float c1=-4.0; const float c2=0.0405; const float c3=-0.0000028; const float t1=-0.01; const float t2=0.00008; float rh=%26;#215;p_humidity; float t=%26;#215;p_temperature; float rh_lin; float th_ture; float t_c; t_c=t%26;#215;0.01-40; rh_lin=c3%26;#215;rh%26;#215;rh+c2%26;#215;rh+c1; trh_ture=(t_c-25)%26;#215;(t1+t2%26;#215;rh)+rh_lin; %26;#215;p_temperature=t-c; %26;#215;p_humidity=rh_ture; } //從相對(duì)溫度和濕度計(jì)算露點(diǎn) char calc_dewpoint(float h,float t) {float logex,dew_point; logex=0.66077+7.5%26;#215;t/(237.3+t)+[log10(h)-2]; dew_point=(logex-0.66077)%26;#215;237.3/(0.66077+7.5-logex); return dew_point; } 限于篇幅，上述程序中未給出傳輸開(kāi)始、寫(xiě)字節(jié)數(shù)據(jù)、讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)。 6　結(jié)束語(yǔ) SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器由于將溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，因此，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時(shí)也非常便于和微控制器接口，由此可見(jiàn)，該傳感器是嵌入式系統(tǒng)溫濕度測(cè)試的理想選擇。