I2C總線數字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機系統的應用

    摘要：SHT11是瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨特的CMOSens TM技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。文中對傳感器的性能特點、接口時序與命令進行了詳細的闡述，給出了SHT11與單片機的接口電路及相應程序。

    關鍵詞：數字式；溫濕度傳感器；I2C總線；單片機

１　概述

溫濕度的測量在倉儲管理、生產制造、氣象觀測、科學研究以及日常生活中被廣泛應用，傳統的模擬式濕度傳感器一般都要設計信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、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技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將ＣＭＯＳ芯片技術與傳感器技術結合起來，從而發揮出它們強大的優勢互補作用。

２　性能特點

ＳＨＴ１１溫濕度傳感器的主要特性如下：

●將溫濕度傳感器、信號放大調理、Ａ／Ｄ轉換、Ｉ２Ｃ總線接口全部集成于一芯片（ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技術）；

●可給出全校準相對濕度及溫度值輸出；

●帶有工業標準的Ｉ２Ｃ總線數字輸出接口；

●具有露點值計算輸出功能；

●具有卓越的長期穩定性；

●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（７．６５×５．０８×２３．５ｍｍ），可表面貼裝；

●具有可靠的ＣＲＣ數據傳輸校驗功能；

●片內裝載的校準系數可保證１００％互換性;

●電源電壓范圍為２．４～５．５Ｖ;

●電流消耗,測量時為５５０μＡ，平均為２８μＡ，休眠時為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，其引腳說明如下：

(１)ＧＮＤ：接地端；

(２)ＤＡＴＡ：雙向串行數據線；

(３)ＳＣＫ：串行時鐘輸入；

(４)ＶＤＤ電源端：０．４～５．５Ｖ電源端；

（５～８）ＮＣ：空管腳。

３　工作原理

ＳＨＴ１１的濕度檢測運用電容式結構，并采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統與聚合物覆蓋層來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，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起而構成了一個單一的個體，因而測量精度較高且可精確得出露點，同時不會產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技術不僅將溫濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大器、模／數轉換器、校準數據存儲器、標準Ｉ２Ｃ總線等電路全部集成在一個芯片內。ＳＨＴ１１傳感器的內部結構框圖如圖２所示。

ＳＨＴ１１的每一個傳感器都是在極為精確的濕度室中校準的。ＳＨＴ１１傳感器的校準系數預先存在ＯＴＰ內存中。經校準的相對濕度和溫度傳感器與一個１４位的Ａ／Ｄ轉換器相連，可將轉換后的數字溫濕度值送給二線Ｉ２Ｃ總線器件，從而將數字信號轉換為符合Ｉ２Ｃ總線協議的串行數字信號。

    由于將傳感器與電路部分結合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩定性，而Ａ／Ｄ轉換的同時完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內裝載的校準數據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Ｉ２Ｃ總線與任何類型的微處理器、微控制器系統連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。

３．１ 輸出特性

（１）濕度值輸出

ＳＨＴ１１可通過Ｉ２Ｃ總線直接輸出數字量濕度值，其相對濕度數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為傳感器相對濕度測量值，系數取值如下：

１２位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．０４０５，ｃ３＝－２．８×１０－６

８位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．６４８，ｃ３＝－７．２×１０－４

（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字輸出轉換成實際溫度值：

Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯＴ

當電源電壓為５Ｖ，且溫度傳感器的分辨率為１４位時，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０１，當溫度傳感器的分辨率為１２位時，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０４。

（３）露點計算

空氣的露點值可根據相對濕度和溫度值來得出，具體的計算公式如下：

ＬｏｇＥＷ＝（０．６６０７７＋７．５Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）＋[ｌｏｇ１０（ＲＨ）－２]

Ｄｐ＝[（０．６６０７７－ｌｏｇＥＷ）×２３７．３]／（ｌｏｇＥＷ－８．１６０７７）

３．２ 命令與接口時序

ＳＨＴ１１傳感器共有５條用戶命令，具體命令格式見表１所列。下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。

表1 SHT11傳感器命令列表

（１）傳輸開始

初始化傳輸時，應首先發出“傳輸開始”命令，該命令可在ＳＣＫ為高時使ＤＡＴＡ由高電平變為低電平，并在下一個ＳＣＫ為高時將ＤＡＴＡ升高。

接下來的命令順序包含三個地址位（目前只支持“０００”）和５個命令位，當ＤＡＴＡ腳的ａｃｋ位處于低電位時，表示ＳＨＴ１１正確收到命令。

（２）連接復位順序

如果與ＳＨＴ１１傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：即當ＤＡＴＡ線處于高電平時，觸發ＳＣＫ ９次以上（含９次），此后應接著發一個“傳輸開始”命令。

表2 SHT11狀態寄存器類型及說明

（３）溫濕度測量時序

當發出了溫（濕）度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用８／１２／１４位的分辨率測量分別需要大約１１／５５／２１０ｍｓ的時間。為表明測量完成，ＳＨＴ１１會使數據線為低，此時控制器必須重新啟動ＳＣＫ，然后傳送兩字節的測量數據與１字節ＣＲＣ校驗和?？刂破鞅仨毻ㄟ^使ＤＡＴＡ為低來確認每一個字節，所有的量均從右算，ＭＳＢ列于第一位。通訊在確認ＣＲＣ數據位后停止。如果沒有用ＣＲＣ－８校驗和，則控制器就會在測量數據ＬＳＢ后保持ａｃｋ為高來停止通訊，ＳＨＴ１１在測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。需要注意的是：為使ＳＨＴ１１的溫升低于０．１℃?此時的工作頻率不能大于標定值的１５％（如：１２位精確度時，每秒最多進行３次測量）。測量溫度和濕度命令所對應的時序如圖４所示。

圖4

    ３．３ 寄存器配置

ＳＨＴ１１傳感器中的一些高級功能是通過狀態寄存器來實現的，寄存器各位的類型及說明見表２所列。下面對寄存器相關位的功能說明：

（１）加熱

使芯片中的加熱開關接通后，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：

●通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進行比較，可以正確地區別傳感器的功能；

●在相對濕度較高的環境下，傳感器可通過加熱來避免冷凝。

（２）低電壓檢測

ＳＨＴ１１工作時可以自行檢測ＶＤＤ電壓是否低于２．４５Ｖ，準確度為±０．１Ｖ。

（３）下載校準系數

為了節省能量并提高速度，ＯＴＰ在每次測量前都要重新下載校準系數，從而使每一次測量節?。福玻恚蟮臅r間。

（４）測量分辨率設定

將測量分辨率從１４位（溫度）和１２位（濕度）分別減到１２位和８位可應用于高速或低功耗場合。

４　應用說明

４．１ 運行條件

測量量程以外的溫度會使濕度信號暫時地偏移＋３％。然后傳感器會慢慢返回到校準條件。若將芯片在濕度小于５％環境下加熱２４小時到９０℃，芯片就會迅速恢復高相對濕度、高溫度環境的影響，但是，延長強度條件會加速芯片的老化。

４．２ 安裝注意事項

由于大氣的相對濕度與溫度的關系比較密切，因此，測量大氣溫度時的要點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熱元件，ＳＨＴ１１應與熱源保持良好的通風，為減少ＳＨＴ１１和ＰＣＢ之間的熱傳導，應使銅導線最細并在其中加上窄縫，同時應避免使傳感器在強光或ＵＶ下曝曬。

傳感器在布線時，ＳＣＫ和ＤＡＴＡ信號平行且相互接近，或信號線長于１０ｃｍ時，均會產生干擾信息，此時應在兩組信號之間放置ＶＤＤ或ＧＮＤ。

５　具體應用

圖５是ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機與ＳＨＴ１１的接口電路。由于ＡＴ８９Ｃ２０５１不具備Ｉ２Ｃ總線接口，故使用單片機通用Ｉ／Ｏ口線來虛擬Ｉ２Ｃ總線，并利用Ｐ１．０來虛擬數據線ＤＡＴＡ，利用Ｐ１．１口線來虛擬時鐘線，并在ＤＡＴＡ端接入一只４．７ｋΩ的上拉電阻，同時，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應用程序。

＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ Ｐ１＿１

＃ｄｅｆｉｎｅ ＳＣＫ Ｐ１＿０

＃ｄｅｆｉｎｅ ＡＣＫ １

＃ｄｅｆｉｎｅ ｎｏＡＣＫ ０

＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＥＡＳＵＲＥ_ＴＥＭＰ ０ｘ０３ ／／測量溫度命令

＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＥＡＳＵＲＥ_ＨＵＭＩ ０ｘ０５ ／／測量濕度命令

／／讀溫濕度數據

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;

}

／／溫濕度值標度變換及溫度補償

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＝×ｐ_ｈｕｍｉｄｉｔｙ;

ｆｌｏａｔ ｔ＝×ｐ_ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ;

ｆｌｏａｔ ｒｈ_ｌｉｎ;

ｆｌｏａｔ ｔｈ_ｔｕｒｅ;

ｆｌｏａｔ ｔ_ｃ;

ｔ_ｃ＝ｔ×０．０１－４０;

ｒｈ_ｌｉｎ＝ｃ３×ｒｈ×ｒｈ＋ｃ２×ｒｈ＋ｃ１;

ｔｒｈ_ｔｕｒｅ＝(ｔ_ｃ－２５)×(ｔ１＋ｔ２×ｒｈ)＋ｒｈ_ｌｉｎ;

×ｐ_ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＝ｔ－ｃ;

×ｐ_ｈｕｍｉｄｉｔｙ＝ｒｈ_ｔｕｒｅ;

}

／／從相對溫度和濕度計算露點

ｃｈａｒ ｃａｌｃ_ｄｅｗｐｏｉｎｔ(ｆｌｏａｔ ｈ,ｆｌｏａｔ ｔ)

{ｆｌｏａｔ ｌｏｇｅｘ,ｄｅｗ_ｐｏｉｎｔ;

ｌｏｇｅｘ＝０．６６０７７＋７．５×ｔ／(２３７．３＋ｔ)＋[ｌｏｇ１０(ｈ)－２];

ｄｅｗ_ｐｏｉｎｔ＝(ｌｏｇｅｘ－０．６６０７７)×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始、寫字節數據、讀字節數據函數。

６　結束語

ＳＨＴ１１數字式溫濕度傳感器由于將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調理、模／數轉換器、標定參數及Ｉ２Ｃ總線接口全部集成到傳感器內部，因此，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口，由此可見，該傳感器是嵌入式系統溫濕度測試的理想選擇。