中心議題：

• 介紹SHTll的基本特點(diǎn)、引腳功能、內部結構和工作原理
• 給出SHTll的實(shí)用電路、軟件設計方法和溫濕度及露點(diǎn)的計算方法

解決方案：

• SHTll溫濕度傳感器采用SMD表面貼片封裝形式，接口非常簡(jiǎn)單
• 微處理器采用二線(xiàn)串行數字接口和溫濕度傳感器芯片SHTll進(jìn)行通信
• 采用通用I/O口模擬該通信協(xié)議

SHTll簡(jiǎn)介
SHTll是瑞士Sensirion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來(lái)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×5.08 mm×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。

SHTll的引腳功能
SHTll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l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。

SHTll的內部結構和工作原理
溫濕度傳感器SHTl1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)境中進(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SHTll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SHTll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SHTl1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SHTll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。
　　
 

 
SHTll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SHTll進(jìn)行通信，所以硬件接口設計非常簡(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。

a.硬件設計
SHTl1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SHTll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。
　　
 

 
b. 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。
　　
 

 
SHTll濕度測試時(shí)序如圖5所示。其中，陰影部分為SHTll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SHTll的響應;SHTll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SHTll，而訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議是芯片生產(chǎn)商自定義的，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ATmegal28。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)程中，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(unslgned char s)，該延時(shí)函數運行用4個(gè)時(shí)鐘周期，所以白定義延時(shí)1μs函數可以定義如下：#deftne CPU_CRYSTAL 7.3728
　　
 
 

　　
 
 
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SHTll的讀寫(xiě)協(xié)議。

c. 溫度和濕度值的計算
濕度線(xiàn)性補償和溫度補償
SHTll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：RHincar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)件補償后的濕度值進(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。

溫度值輸出
由于SHTll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：
　　Temperture=dl+d2×SOT
式中：d1和d2為特定系數，d1的取值與SHTll工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHTll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。
　　
 
 

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：
　　
 
 
式中：T為當前溫度值，SORH為相對濕度值，DP為露點(diǎn)。

結論
溫濕度傳感器SHTll集溫度傳感器和濕度傳感器于一體，因此采用SHTll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SHTll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。