摘 要 詳細(xì)介紹Sensirion傳感器公司推出的新型集成數(shù)字式溫濕度傳感器。該傳感器采用CMOSens專利技術(shù)將溫度濕度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字接口無縫結(jié)合，使傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、接口簡單、性價比高等特點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)例講解該傳感器的命令、時序，以及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 SHTl0 溫濕度傳感器 數(shù)字傳感器 ATmeg8L
引 言
隨著社會的不斷發(fā)展前進(jìn)，人們進(jìn)入了數(shù)字化信息時代，對生活質(zhì)量的要求越來越高。汽車、空調(diào)、除濕器、烘干機(jī)等都已家喻戶曉，它們都離不開對溫度、濕度等環(huán)境因素的要求。
瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過程微加工專利技術(shù)(CMOSens technology)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個2一wire數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合，使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
1 SHTl0的特點(diǎn)
SHTlO的主要特點(diǎn)如下：
◆相對濕度和溫度的測量兼有露點(diǎn)輸出；
◆全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；
◆接口簡單(2一wire)，響應(yīng)速度快；
◆超低功耗，自動休眠；
◆出色的長期穩(wěn)定性；
◆超小體積(表面貼裝)；
◆測濕精度±4．5％RH，測溫精度±O．5℃(25℃)。
2 引腳說明及接口電路
(1)典型應(yīng)用電路" title="應(yīng)用電路">應(yīng)用電路
SHTlO典型應(yīng)用電路如圖1所示。
(2)電源引腳(VDD、GND)
SHTlO的供電電壓為2．4～5．5 V。傳感器上電后，要等待11 ms，從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD和GND)之間可增加1個100 nF的電容器，用于去耦濾波。
(3)串行接口
SHTlO的兩線串行接口(bidirectional 2一wire)在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容I2C總線。
①串行時鐘輸入(SCK)。SCK引腳是MCU與SHTlO之間通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。
②串行數(shù)據(jù)(DATA)。DATA引腳是1個三態(tài)門，用于MCU與SHTlO之間的數(shù)據(jù)傳輸。DATA的狀態(tài)在串行時鐘SCK的下降沿之后發(fā)生改變，在SCK的上升沿有效。在數(shù)據(jù)傳輸期間，當(dāng)SCK為高電平" title="高電平">高電平時，DATA數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定狀態(tài)。
為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，MCU應(yīng)該驅(qū)動DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。
3 命令與時序
(1)SHTl0命令
SHTlO命令如表1所列。
(2)命令時序
發(fā)送一組“傳輸啟動”序列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化，如圖2所示。其時序?yàn)椋寒?dāng)SCK為高電平時DATA翻轉(zhuǎn)保持低電平，緊接著SCK產(chǎn)生1個發(fā)脈沖，隨后在SCK為高電平時DATA翻轉(zhuǎn)保持高電平。
緊接著的命令包括3個地址位(僅支持“000”)和5個命令位。SHTl0指示正確接收命令的時序?yàn)椋涸诘?個SCK時鐘的下降沿之后將DATA拉為低電平(ACK位)，在第9個SCK時鐘的下降沿之后釋放DATA(此時為高電平)。
(3)測量時序(RH和T)
“000 00101”為相對濕度(RH)測量，“000 0001l”為溫度(θ)測量。發(fā)送一組測量命令后控制器要等待測量結(jié)束，這個過程大約需要20／80／320 ms，對應(yīng)其8／12／14位的測量。測量時間隨內(nèi)部晶振的速度而變化，最多能夠縮短30％。SHTlO下拉DATA至低電平而使其進(jìn)入空閑模式。重新啟動SCK時鐘讀出數(shù)據(jù)之前，控制器必須等待這個“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號。
接下來傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC校驗(yàn)。MCU必須通過拉低DATA來確認(rèn)每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都從MSB開始，至LSB有效。例如對于12位數(shù)據(jù)，第5個SCK時鐘時的數(shù)值作為MSB位；而對于8位數(shù)據(jù)，第1個字節(jié)(高8位)數(shù)據(jù)無意義。
確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位之后，通信結(jié)束。如果不使用CRC一8校驗(yàn)，控制器可以在測量數(shù)據(jù)LSB位之后，通過保持ACK位為高電平來結(jié)束本次通信。
測量和通信結(jié)束后，SHTlO自動進(jìn)入休眠狀態(tài)模式。
(4)復(fù)位時序
如果與SHTlO的通信發(fā)生中斷，可以通過隨后的信號序列來復(fù)位串口，如圖3所示。保持DATA為高電平，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多，接著在執(zhí)行下次命令之前必須發(fā)送一組“傳輸啟動”序列。這些序列僅僅復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器" title="狀態(tài)寄存器">狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留。
(5)狀態(tài)寄存器讀寫時序
SHTl0通過狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)設(shè)定。
讀狀態(tài)寄存器時序如圖4所示。
寫狀態(tài)寄存器時序如圖5所示。
狀態(tài)寄存器位如表2所列。
4 幾點(diǎn)說明
①CRC一8校驗(yàn)。整個數(shù)據(jù)的傳輸過程都由8位校驗(yàn)保證，確保任何錯誤的數(shù)據(jù)都能夠被檢測到并刪除。
②為保持自身發(fā)熱溫升小于O．1℃，SHTxx的激活時間不超過10％。如12位精度測量，每秒最多測量2次。
③轉(zhuǎn)換為物理量輸出。相對濕度輸出轉(zhuǎn)換公式為：
其中，RHlinear為25℃時相對濕度的線性值，SORH為傳感器輸出" title="傳感器輸出">傳感器輸出的相對濕度的數(shù)值，c1，c2，c3為系數(shù)，如表3所列。
當(dāng)測量溫度與25℃相差較大時，則需要考慮傳感器的溫度系數(shù)：
其中，RHtrue為溫度不等于25℃時相對濕度的實(shí)際值，θ為當(dāng)前溫度，t1、t2是系數(shù)，如表4所列。
溫度輸出轉(zhuǎn)換公式為：
其中，θ為實(shí)際溫度，SOθ為傳感器輸出的溫度數(shù)值，θ1，θ2為系數(shù)，如表5、表6所列。
由于濕度與溫度經(jīng)由同一塊芯片測量而得，因此SHTlO可以同時實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的露點(diǎn)測量。具體算法可參閱參考文獻(xiàn)，這里不再詳述。
5 SHTl0與ATmega8L的應(yīng)用實(shí)例
這里以SHTlO與Atmel公司低功耗8位RISC指令集的ATmega8L(內(nèi)部8 MHz振蕩頻率)MCU的接口電路為例，給出實(shí)際應(yīng)用電路及控制程序?qū)嵗１纠捎肁Tmega8L微控制器控制SHTlO，讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并將結(jié)果顯示在LCDl602(采用4位模式)上，如圖6所示。
程序采用C語言模塊化設(shè)計(jì)，大大方便被移植到其他MCU上使用，提高了工作效率。