中心議題：
- 介紹SHTll的基本特點(diǎn)、引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
- 給出SHTll的實(shí)用電路、軟件設(shè)計(jì)方法和溫濕度及露點(diǎn)的計(jì)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，接口非常簡單
- 微處理器采用二線串行數(shù)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簡介
SHTll是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動控制等領(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(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上;
◆提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn).傳輸可靠性高;
◆測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過對芯片內(nèi)部寄存器編程來選擇);
◆測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能;
◆封裝尺寸超小(7.62 mm×5.08 mm×2.5 mm)，測量和通信結(jié)束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式;
◆高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時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，接口非常簡單，引腳名稱及排列順序如圖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——二線串行數(shù)字接口，其中DA-TA為數(shù)據(jù)線，SCK為時鐘線;
◇腳5～8——未連接。
SHTll的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)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14位的A/D轉(zhuǎn)換器;最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT11在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲在校準(zhǔn)寄存器中;在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會自動校準(zhǔn)來自傳感器的信號，此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個加熱元件，加熱元件接通后可以將SHTll的溫度升高5℃左右，同時功耗也會有所增加。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(yàn)證兩個傳感器元件的性能。在高濕(>95%RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時縮短響應(yīng)時間，提高精度。加熱后SHTll溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。
微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHTl1進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時序。微處理器對SHTll的控制是通過5個5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。
SHTll應(yīng)用設(shè)計(jì)
微處理器采用二線串行數(shù)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(shè)計(jì)非常簡單;然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計(jì)中，需要用微處理器通用I/O口模擬通信協(xié)議。
a.硬件設(shè)計(jì)
SHTl1通過二線數(shù)字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時鐘線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最低頻率沒有要求;當(dāng)工作電壓高于4.5V時，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4.5 V時，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖3所示。
b. 軟件設(shè)計(jì)
微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開始，微處理器需要用一組“啟動傳輸”時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?，如圖4所示。當(dāng)SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平;緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?在SCK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。
SHTll濕度測試時序如圖5所示。其中，陰影部分為SHTll控制總線。主機(jī)發(fā)出啟動命令，隨后發(fā)出一個后續(xù)8位命令碼。該命令碼包含3個地址位(芯片設(shè)定地址為000)和5個命令位;發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHTll的響應(yīng);SHTll接收到上述地址和命令碼后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK;在第9個時鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線;釋放總線后，從機(jī)開始測量當(dāng)前濕度，測量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平;主機(jī)檢測到DATA總線被拉低后，得知濕度測量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時鐘信號;從機(jī)在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù);在第9個時鐘下降沿，主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號，然后釋放總線DATA;在隨后8個SCK周期下降沿，從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù);接下來的SCK下降沿，主機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號;最后8個SCK下降沿從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，主機(jī)不予應(yīng)答(NACK)則表示測量結(jié)束。
由于微處理器通過二線串行數(shù)字接口訪問濕度傳感器SHTll，而訪問協(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。通過對I/O口寄存器的編程，該處理器的I/O口可以根據(jù)需要設(shè)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(xiàn)過程中，通過宏定義來實(shí)現(xiàn)I/O口狀態(tài)的改變。
通過以上宏定義，可以實(shí)現(xiàn)SCK和DATA總線的各種輸入和輸出狀態(tài)。為了模擬該二線串行數(shù)字協(xié)議，還需要一個延時函數(shù)。WINAVR庫函數(shù)提供了一個延時函數(shù)_delay_loop_2(unslgned char s)，該延時函數(shù)運(yùn)行用4個時鐘周期，所以白定義延時1μs函數(shù)可以定義如下：#deftne CPU_CRYSTAL 7.3728
基于以上宏定義和延時函數(shù)，可以方便地使SCK和DATA總線輸出持續(xù)一定時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的讀寫協(xié)議。
c. 溫度和濕度值的計(jì)算
濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償
SHTll可通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為“相對濕度”，需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值。由于相對濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值：
式中：RHincar為經(jīng)過線性補(bǔ)償后的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1、C2、C3為線性補(bǔ)償系數(shù)，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，所以對線件補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償很有必要。補(bǔ)償公式如下：
式中：RHtrue為經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值，T為測試濕度值時的溫度(℃)，t1和t2為溫度補(bǔ)償系數(shù)，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(shù)，d1的取值與SHTll工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHTll內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)，其對應(yīng)關(guān)系分別如表4和表5所列。
露點(diǎn)計(jì)算
露點(diǎn)是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點(diǎn)時，空氣容納不了過多的水分，這些水分會變成霧、露水或霜。露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前相對濕度值和溫度值計(jì)算得出，具體的計(jì)算公式如下：
式中：T為當(dāng)前溫度值，SORH為相對濕度值，DP為露點(diǎn)。
結(jié)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)時監(jiān)測的系統(tǒng)具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點(diǎn);另外SHTll芯片內(nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，且采用數(shù)字信號輸出，因此抗干擾能力也比同類芯片高。該芯片在溫濕度監(jiān)測、自動控制等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。
