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（７．６５×５．０８×２３．５ｍｍ），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＝－２．８×１０－６

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(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）×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

（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?，并在下一個(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)寄存器類型及說(shuō)明

（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。控制器必須通過(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±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)?。福玻恚蟮臅r(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_(tái)ＴＥＭＰ ０ｘ０３ ／／測(cè)量溫度命令

＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＥＡＳＵＲＥ_(tái)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＝×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(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×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(kāi)始、寫字節(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。