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1 SHT11簡(jiǎn)介 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車(chē)、消費電子、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、濕度感測、信號變換、A／D轉換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上； ◆提供二線(xiàn)數字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高； ◆測量精度可編程調節，內置A／D轉換器(分辨率為8～12位，可以通過(guò)對芯片內部寄存器編程米選擇)； ◆測量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計算功能； ◆封裝尺寸超小(7.62 mm×5.08mm×2.5 mm)，測量和通信結束后，自動(dòng)轉入低功耗模式； ◆高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時(shí)可將感測頭完全浸于水中。 2 SHT11的引腳功能 SHT11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1所示。 各引腳的功能如下： ◇腳1和4--信號地和電源，其工作電壓范圍是2.4～5.5 V； ◇腳2和腳3--二線(xiàn)串行數字接口，其中DA-TA為數據線(xiàn)，SCK為時(shí)鐘線(xiàn)； ◇腳5～8--未連接。 3 SHT11的內部結構和工作原理 溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D轉換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內部結構如圖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換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A／D轉換器；最后經(jīng)過(guò)二線(xiàn)串行數字接口輸出數字信號。SHT11在出廠(chǎng)前，都會(huì )在恒濕或恒溫環(huán)境巾進(jìn)行校準，校準系數存儲在校準寄存器中；在測量過(guò)程中，校準系數會(huì )自動(dòng)校準來(lái)自傳感器的信號。此外，SHT11內部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11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，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時(shí)縮短響應時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會(huì )略有差異。 微處理器是通過(guò)二線(xiàn)串行數字接口與SHT11進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線(xiàn)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SHT11的控制是通過(guò)5個(gè)5位命令代碼來(lái)實(shí)現的，命令代碼的含義如表1所列。 4 SHT11應用設計 微處理器采用二線(xiàn)串行數字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進(jìn)行通信，所以硬件接門(mén)設計非常簡(jiǎn)單；然而，通信協(xié)議是芯片廠(chǎng)家自己定義的，所以在軟件設計中，需要用微處理器通用I／O口模擬通信協(xié)議。 4.1 硬件設計 SHT11通過(guò)二線(xiàn)數字串行接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。需要注意的地方是：DATA數據線(xiàn)需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線(xiàn)SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒(méi)有要求；當工作電壓高于4.5V時(shí)，SCK頻率最高為10 MHz，而當工作電壓低于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 軟件設計 微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線(xiàn)接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線(xiàn)，DATA為數據線(xiàn)。該二線(xiàn)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)序表示數據傳輸的啟動(dòng)，如圖4所示。當SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉為低電平；緊接著(zhù)SCK變?yōu)榈碗娖�，隨后又變?yōu)楦唠娖�；在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉為高電平。 SHT11濕度測試時(shí)序如圖5所示。其中，陰影部分為SHT11控制總線(xiàn)。主機發(fā)出啟動(dòng)命令，隨后發(fā)出一個(gè)后續8位命令碼，該命令碼包含3個(gè)地址位(芯片設定地址為000)和5個(gè)命令位；發(fā)送完該命令碼，將DATA總線(xiàn)設為輸入狀態(tài)等待SHT11的響應；SHT11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的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機釋放DATA(恢復高電平)總線(xiàn)；釋放總線(xiàn)后，從機開(kāi)始測量當前濕度，測量結束后，再次將DATA總線(xiàn)拉為低電平；主機檢測到DATA總線(xiàn)被拉低后，得知濕度測量已經(jīng)結束，給出SCK時(shí)鐘信號；從機在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節數據；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，主機將DATA總線(xiàn)拉低作為ACK信號。然后釋放總線(xiàn)DATA；在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，從機發(fā)出低字節數據；接下來(lái)的SCK下降沿，主機再次將DATA總線(xiàn)拉低作為接收數據的ACK信號；最后8個(gè)SCK下降沿從機發(fā)出CRC校驗數據，主機不予應答(NACK)則表示測量結束。 由于微處理器通過(guò)二線(xiàn)串行數字接口訪(fǎng)問(wèn)濕度傳感器SHT11，而訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議是芯片生產(chǎn)商白定義的，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ATmega128。通過(guò)對I／O口寄存器的編程，該處理器的I／O口可以根據需要設置成輸入、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)現過(guò)程巾，通過(guò)宏定義來(lái)實(shí)現I／O口狀態(tài)的改變。 通過(guò)以上宏定義，可以實(shí)現SCK和DATA總線(xiàn)的各種輸入和輸出狀態(tài)。為了模擬該二線(xiàn)串行數字協(xié)議，還需要一個(gè)延時(shí)函數。WINAVR庫函數提供了一個(gè)延時(shí)函數_delay_loop_2(unsigned char s)，該延時(shí)函數運行用4個(gè)時(shí)鐘周期，所以自定義延時(shí)1 μs函數可以定義如下： 基于以上宏定義和延時(shí)函數，可以方便地使SCK和DATA總線(xiàn)輸出持續一定時(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SHT11的讀寫(xiě)協(xié)議。 4.3 溫度和濕度值的計算 4.3.1 濕度線(xiàn)性補償和溫度補償 SHT11可通過(guò)DATA數據總線(xiàn)直接輸出數字量濕度值。該濕度值稱(chēng)為"相對濕度"，需要進(jìn)行線(xiàn)性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值。由于相對濕度數字輸出特性呈一定的非線(xiàn)性，因此為了補償濕度傳感器的非線(xiàn)性，可按下式修正濕度值： 式中：RHlinear為經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補償后的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1、C2、C3為線(xiàn)性補償系數，取值如表2所列。 由于溫度對濕度的影響十分明顯，而實(shí)際溫度和測試參考溫度25℃有所不同，所以對線(xiàn)性補償后的濕度值進(jìn)行溫度補償很有必要。補償公式如下： 式中：RHtrue為經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補償和溫度補償后的濕度值，T為測試濕度值時(shí)的溫度(℃)，t1和t2為溫度補償系數，取值如表3所列。 4.3.2 溫度值輸出 由于SHT11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(xiàn)性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得： Temperature=d1+d2×SOT 式中：d1和d2為特定系數，d1的取值與SHT11工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHT11內部A／D轉換器采用的分辨率有關(guān)，其對應關(guān)系分別如表4和表5所列。 4.3.3 露點(diǎn)計算 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到的最低溫度。當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)可以根據當前相對濕度值和溫度值計算得出，具體的計算公式如下： LogEW=0.66077+7.5×T／(237.3+T)+log10(SORH)-2 Dp=((0.66077-logEW)×237.3)／(logEW-8.16077) 式中：T為當前溫度值，SORH為相對濕度值，Dp為露點(diǎn)。 5 結 論 溫濕度傳感器SHT11集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，因此采用SHT11進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監測的系統具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；另外SHT11芯片內部集成了14位A／D轉換器，且采用數字信號輸出，因此抗干擾能力也比同類(lèi)芯片高。該芯片在溫濕度監測、自動(dòng)控制等領(lǐng)域均已得到廣泛應用。 |
