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(zhuān)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(wú)縫結(jié)合，使傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、接口簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)例講解該傳感器的命令、時(shí)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(huì)的不斷發(fā)展前進(jìn)，人們進(jìn)入了數(shù)字化信息時(shí)代，對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。汽車(chē)、空調(diào)、除濕器、烘干機(jī)等都已家喻戶(hù)曉，它們都離不開(kāi)對(duì)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(guò)程微加工專(zhuān)利技術(shù)(CMOSens technology)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器由1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件組成，并與1個(gè)14位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)2一wire數(shù)字接口在單芯片中無(wú)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(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出；
    ◆全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；
    ◆接口簡(jiǎn)單(2一wire)，響應(yīng)速度快；
    ◆超低功耗，自動(dòng)休眠；
    ◆出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
    ◆超小體積(表面貼裝)；
    ◆測(cè)濕精度±4．5％RH，測(cè)溫精度±O．5℃(25℃)。

2 引腳說(shuō)明及接口電路
    (1)典型應(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(gè)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(hào)讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類(lèi)似I2C總線但并不兼容I2C總線。
    ①串行時(shí)鐘輸入(SCK)。SCK引腳是MCU與SHTlO之間通信的同步時(shí)鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒(méi)有最小時(shí)鐘頻率。
    ②串行數(shù)據(jù)(DATA)。DATA引腳是1個(gè)三態(tài)門(mén)，用于MCU與SHTlO之間的數(shù)據(jù)傳輸。DATA的狀態(tài)在串行時(shí)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為高電平時(shí)，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(dòng)DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個(gè)上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。

3 命令與時(shí)序
    (1)SHTl0命令
    SHTlO命令如表1所列。

    (2)命令時(shí)序
    發(fā)送一組“傳輸啟動(dòng)”序列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化，如圖2所示。其時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)SCK為高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)保持低電平，緊接著SCK產(chǎn)生1個(gè)發(fā)脈沖，隨后在SCK為高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)保持高電平。
    緊接著的命令包括3個(gè)地址位(僅支持“000”)和5個(gè)命令位。SHTl0指示正確接收命令的時(shí)序?yàn)椋涸诘?個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后將DATA拉為低電平(ACK位)，在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后釋放DATA(此時(shí)為高電平)。

    (3)測(cè)量時(shí)序(RH和T)
    “000 00101”為相對(duì)濕度(RH)測(cè)量，“000 0001l”為溫度(θ)測(cè)量。發(fā)送一組測(cè)量命令后控制器要等待測(cè)量結(jié)束，這個(gè)過(guò)程大約需要20／80／320 ms，對(duì)應(yīng)其8／12／14位的測(cè)量。測(cè)量時(shí)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(dòng)SCK時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)之前，控制器必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號(hào)。
    接下來(lái)傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)。MCU必須通過(guò)拉低DATA來(lái)確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都從MSB開(kāi)始，至LSB有效。例如對(duì)于12位數(shù)據(jù)，第5個(gè)SCK時(shí)鐘時(shí)的數(shù)值作為MSB位；而對(duì)于8位數(shù)據(jù)，第1個(gè)字節(jié)(高8位)數(shù)據(jù)無(wú)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(cè)量數(shù)據(jù)LSB位之后，通過(guò)保持ACK位為高電平來(lái)結(jié)束本次通信。
    測(cè)量和通信結(jié)束后，SHTlO自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)模式。
    (4)復(fù)位時(shí)序
    如果與SHTlO的通信發(fā)生中斷，可以通過(guò)隨后的信號(hào)序列來(lái)復(fù)位串口，如圖3所示。保持DATA為高電平，觸發(fā)SCK時(shí)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(dòng)”序列。這些序列僅僅復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留。
    (5)狀態(tài)寄存器讀寫(xiě)時(shí)序
    SHTl0通過(guò)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(shí)序如圖4所示。

    寫(xiě)狀態(tài)寄存器時(shí)序如圖5所示。

    狀態(tài)寄存器位如表2所列。

4 幾點(diǎn)說(shuō)明
    ①CRC一8校驗(yàn)。整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程都由8位校驗(yàn)保證，確保任何錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)都能夠被檢測(cè)到并刪除。
    ②為保持自身發(fā)熱溫升小于O．1℃，SHTxx的激活時(shí)間不超過(guò)10％。如12位精度測(cè)量，每秒最多測(cè)量2次。
    ③轉(zhuǎn)換為物理量輸出。相對(duì)濕度輸出轉(zhuǎn)換公式為：

   
    其中，RHlinear為25℃時(shí)相對(duì)濕度的線性值，SORH為傳感器輸出的相對(duì)濕度的數(shù)值，c1，c2，c3為系數(shù)，如表3所列。
    當(dāng)測(cè)量溫度與25℃相差較大時(shí)，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(shí)相對(duì)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(cè)量而得，因此SHTlO可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的露點(diǎn)測(cè)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?。本例采用ATmega8L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(yǔ)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。