I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用

摘要：SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。文中对传感器的性能特点、接口时序与命令进行了详细的阐述，给出了SHT11与单片机的接口电路及相应程序。     关键词：数字式；温湿度传感器；I2C总线；单片机 １　概述 温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。ＳＨＴ１１是瑞士Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ公司推出的基于ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术的新型温湿度传感器。该传感器将ＣＭＯＳ芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。 ２　性能特点 ＳＨＴ１１温湿度传感器的主要特性如下： ●将温湿度传感器、信号放大调理、Ａ／Ｄ转换、Ｉ２Ｃ总线接口全部集成于一芯片（ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术）； ●可给出全校准相对湿度及温度值输出； ●带有工业标准的Ｉ２Ｃ总线数字输出接口； ●具有露点值计算输出功能； ●具有卓越的长期稳定性； ●湿度值输出分辨率为１４位，温度值输出分辨率为１２位，并可编程为１２位和８位； ●小体积（７．６５×５．０８×２３．５ｍｍ），可表面贴装； ●具有可靠的ＣＲＣ数据传输校验功能； ●片内装载的校准系数可保证１００％互换性; ●电源电压范围为２．４～５．５Ｖ; ●电流消耗,测量时为５５０μＡ，平均为２８μＡ，休眠时为３μＡ。     ＳＨＴ１１温湿度传感器采用ＳＭＤ(ＬＣＣ)表面贴片封装形式，管脚排列如图１所示，其引脚说明如下： (１)ＧＮＤ：接地端； (２)ＤＡＴＡ：双向串行数据线； (３)ＳＣＫ：串行时钟输入； (４)ＶＤＤ电源端：０．４～５．５Ｖ电源端； （５～８）ＮＣ：空管脚。 ３　工作原理 ＳＨＴ１１的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准Ｉ２Ｃ总线等电路全部集成在一个芯片内。ＳＨＴ１１传感器的内部结构框图如图２所示。 ＳＨＴ１１的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。ＳＨＴ１１传感器的校准系数预先存在ＯＴＰ内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个１４位的Ａ／Ｄ转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线Ｉ２Ｃ总线器件，从而将数字信号转换为符合Ｉ２Ｃ总线协议的串行数字信号。     由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而Ａ／Ｄ转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有１００％的互换性。最后，传感器可直接通过Ｉ２Ｃ总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。 ３．１ 输出特性 （１）湿度值输出 ＳＨＴ１１可通过Ｉ２Ｃ总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图３所示。由图３可看出，ＳＨＴ１１的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值： ＲＨｌｉｎｅａｒ＝ｃ１＋ｃ２ＳＯＲＨ＋ｃ３ＳＯＲＨ２ 式中，ＳＯＲＨ为传感器相对湿度测量值，系数取值如下： １２位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．０４０５，ｃ３＝－２．８×１０－６ ８位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．６４８，ｃ３＝－７．２×１０－４ （２）温度值输出 由于ＳＨＴ１１温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值： Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯＴ 当电源电压为５Ｖ，且温度传感器的分辨率为１４位时，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０１，当温度传感器的分辨率为１２位时，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０４。 （３）露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下： ＬｏｇＥＷ＝（０．６６０７７＋７．５Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）＋[ｌｏｇ１０（ＲＨ）－２] Ｄｐ＝[（０．６６０７７－ｌｏｇＥＷ）×２３７．３]／（ｌｏｇＥＷ－８．１６０７７） ３．２ 命令与接口时序 ＳＨＴ１１传感器共有５条用户命令，具体命令格式见表１所列。下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。 表1 SHT11传感器命令列表 命  令 编  码 说   明 测量温度 00011 温度测量 测量湿度 00101 湿度测量 读寄存器状态 00111 “读”状态寄存器 写寄存器状态 00110 “写”状态寄存器 软启动 11110 重启芯片，清除状态记录器的错误记录11毫秒后进入下一个命令 （１）传输开始 初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在ＳＣＫ为高时使ＤＡＴＡ由高电平变为低电平，并在下一个ＳＣＫ为高时将ＤＡＴＡ升高。 接下来的命令顺序包含三个地址位（目前只支持“０００”）和５个命令位，当ＤＡＴＡ脚的ａｃｋ位处于低电位时，表示ＳＨＴ１１正确收到命令。 （２）连接复位顺序 如果与ＳＨＴ１１传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：即当ＤＡＴＡ线处于高电平时，触发ＳＣＫ ９次以上（含９次），此后应接着发一个“传输开始”命令。 表2 SHT11状态寄存器类型及说明 位 类型 说  明 缺  省 　 7 　 保留 0 　 6 读 工检限（低电压检查） X 　 5 　 保留 0 　 4 　 保留 0 　 3 　 只用于试验，不可以使用 0 　 2 读/写 加热 0 关 1 读/写 不从OTP重下载 0 重下载 0 读/写 '1'=8位相对湿度，12位温度分辨率。'0'=12位相对湿度，14位湿度分辨率 0 12位相对湿度，14位湿度 （３）温湿度测量时序 当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用８／１２／１４位的分辨率测量分别需要大约１１／５５／２１０ｍｓ的时间。为表明测量完成，ＳＨＴ１１会使数据线为低，此时控制器必须重新启动ＳＣＫ，然后传送两字节的测量数据与１字节ＣＲＣ校验和。控制器必须通过使ＤＡＴＡ为低来确认每一个字节，所有的量均从右算，ＭＳＢ列于第一位。通讯在确认ＣＲＣ数据位后停止。如果没有用ＣＲＣ－８校验和，则控制器就会在测量数据ＬＳＢ后保持ａｃｋ为高来停止通讯，ＳＨＴ１１在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。需要注意的是：为使ＳＨＴ１１的温升低于０．１℃?此时的工作频率不能大于标定值的１５％（如：１２位精确度时，每秒最多进行３次测量）。测量温度和湿度命令所对应的时序如图４所示。 图4     ３．３ 寄存器配置 ＳＨＴ１１传感器中的一些高级功能是通过状态寄存器来实现的，寄存器各位的类型及说明见表２所列。下面对寄存器相关位的功能说明： （１）加热 使芯片中的加热开关接通后，传感器温度大约增加５℃，从而使功耗增加至８ｍＡ＠５Ｖ。加热用途如下： ●通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较，可以正确地区别传感器的功能； ●在相对湿度较高的环境下，传感器可通过加热来避免冷凝。 （２）低电压检测 ＳＨＴ１１工作时可以自行检测ＶＤＤ电压是否低于２．４５Ｖ，准确度为±０．１Ｖ。 （３）下载校准系数 为了节省能量并提高速度，ＯＴＰ在每次测量前都要重新下载校准系数，从而使每一次测量节省８．２ｍｓ的时间。 （４）测量分辨率设定 将测量分辨率从１４位（温度）和１２位（湿度）分别减到１２位和８位可应用于高速或低功耗场合。 ４　应用说明 ４．１ 运行条件 测量量程以外的温度会使湿度信号暂时地偏移＋３％。然后传感器会慢慢返回到校准条件。若将芯片在湿度小于５％环境下加热２４小时到９０℃，芯片就会迅速恢复高相对湿度、高温度环境的影响，但是，延长强度条件会加速芯片的老化。 ４．２ 安装注意事项 由于大气的相对湿度与温度的关系比较密切，因此，测量大气温度时的要点是将传感器与大气保持同一温度，如果传感器线路板上有发热元件，ＳＨＴ１１应与热源保持良好的通风，为减少ＳＨＴ１１和ＰＣＢ之间的热传导，应使铜导线最细并在其中加上窄缝，同时应避免使传感器在强光或ＵＶ下曝晒。 传感器在布线时，ＳＣＫ和ＤＡＴＡ信号平行且相互接近，或信号线长于１０ｃｍ时，均会产生干扰信息，此时应在两组信号之间放置ＶＤＤ或ＧＮＤ。 ５　具体应用 图５是ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机与ＳＨＴ１１的接口电路。由于ＡＴ８９Ｃ２０５１不具备Ｉ２Ｃ总线接口，故使用单片机通用Ｉ／Ｏ口线来虚拟Ｉ２Ｃ总线，并利用Ｐ１．０来虚拟数据线ＤＡＴＡ，利用Ｐ１．１口线来虚拟时钟线，并在ＤＡＴＡ端接入一只４．７ｋΩ的上拉电阻，同时，在ＶＤＤ及ＧＮＤ端接入一只０．１μＦ的去耦电容。下面给出与上述硬件电路配套的Ｃ５１应用程序。 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ Ｐ１＿１ ＃ｄｅｆｉｎｅ ＳＣＫ Ｐ１＿０ ＃ｄｅｆｉｎｅ ＡＣＫ １ ＃ｄｅｆｉｎｅ ｎｏＡＣＫ ０ ＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＥＡＳＵＲＥ_ＴＥＭＰ ０ｘ０３ ／／测量温度命令 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＭＥＡＳＵＲＥ_ＨＵＭＩ ０ｘ０５ ／／测量湿度命令 ／／读温湿度数据 ｃｈａｒ ｓ－ｍｅａｓｕｒｅ(ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ- ｖａｌｕｅ, ｕｎ-ｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ_ｃｈｅｃｋｓｕｍ, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｍｏｄｅ) { ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｅｒｒｏｒ＝０; ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｉ; ｓ_ｔｒａｎｓｓｔａｒｔ(); ／／传输开始 ｓｗｉｔｃｈ(ｍｏｄｅ){ ｃａｓｅ ＴＥＭＰ:ｅｒｒｏｒ＋＝ｓ_ｗｒｉｔｅ_ｂｙｔｅ(ｍｅａｓｕｒｅ_ｔｅｍｐ); ｂｒｅａｋ; ｃａｓｅ ＨＵＭＩ:ｅｒｒｏｒ＋＝ｓ_ｗｒｉｔｅ_ｂｙｔｅ(ｍｅａｓｕｒｅ_ｈｕｍｉ);ｂｒｅａｋ; ｄｅｆａｕｌｔ:ｂｒｅａｋ; } ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜６５５３５;ｉ＋＋) ｉｆ(ＤＡＴＡ＝＝０) ｂｒｅａｋ; ｉｆ (ＤＡＴＡ) ｒｅｅｏｒ＋＝１; ＊(ｐ_ｖａｌｕｅ)＝ｓ_ｒｅａｄ_ｂｙｔｅ(ＡＣＫ); ＊(ｐ_ｖａｌｕｅ＋１)＝ｓ_ｒｅａｄ_ｂｙｔｅ(ＡＣＫ); ＊ｐ_ｃｈｅｃｋｓｕｍ＝ｓ_ｒｅａｄ_ｂｙｔｅ(ｎｏＡＣＫ); ｒｅｔｕｒｎ ｅｒｒｏｒ; } ／／温湿度值标度变换及温度补偿 ｖｏｉｄ ｃａｌｃ_ｓｔｈ１５(ｆｌｏａｔ ＊ｐ_ｈｕｍｉｄｉｔｙ,ｆｌｏａｔ ＊ｐ_ｔｅｍｐｅｒａ-ｔｕｒｅ) { ｃｏｎｓｔ ｆｌｏａｔ ｃ１＝－４．０; ｃｏｎｓｔ ｆｌｏａｔ ｃ２＝０．０４０５; ｃｏｎｓｔ ｆｌｏａｔ ｃ３＝－０．０００００２８; ｃｏｎｓｔ ｆｌｏａｔ ｔ１＝－０．０１; ｃｏｎｓｔ ｆｌｏａｔ ｔ２＝０．００００８; ｆｌｏａｔ ｒｈ＝×ｐ_ｈｕｍｉｄｉｔｙ; ｆｌｏａｔ ｔ＝×ｐ_ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ; ｆｌｏａｔ ｒｈ_ｌｉｎ; ｆｌｏａｔ ｔｈ_ｔｕｒｅ; ｆｌｏａｔ ｔ_ｃ; ｔ_ｃ＝ｔ×０．０１－４０; ｒｈ_ｌｉｎ＝ｃ３×ｒｈ×ｒｈ＋ｃ２×ｒｈ＋ｃ１; ｔｒｈ_ｔｕｒｅ＝(ｔ_ｃ－２５)×(ｔ１＋ｔ２×ｒｈ)＋ｒｈ_ｌｉｎ; ×ｐ_ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＝ｔ－ｃ; ×ｐ_ｈｕｍｉｄｉｔｙ＝ｒｈ_ｔｕｒｅ; } ／／从相对温度和湿度计算露点 ｃｈａｒ ｃａｌｃ_ｄｅｗｐｏｉｎｔ(ｆｌｏａｔ ｈ,ｆｌｏａｔ ｔ) {ｆｌｏａｔ ｌｏｇｅｘ,ｄｅｗ_ｐｏｉｎｔ; ｌｏｇｅｘ＝０．６６０７７＋７．５×ｔ／(２３７．３＋ｔ)＋[ｌｏｇ１０(ｈ)－２]; ｄｅｗ_ｐｏｉｎｔ＝(ｌｏｇｅｘ－０．６６０７７)×２３７．３／(０．６６０７７＋７．５－ｌｏｇｅｘ); ｒｅｔｕｒｎ ｄｅｗ_ｐｏｉｎｔ; } 限于篇幅，上述程序中未给出传输开始、写字节数据、读字节数据函数。 ６　结束语 ＳＨＴ１１数字式温湿度传感器由于将温度传感器、湿度传感器、信号调理、模／数转换器、标定参数及Ｉ２Ｃ总线接口全部集成到传感器内部，因此，既提高了传感器的性能，又降低了成本、减少了体积，同时也非常便于和微控制器接口，由此可见，该传感器是嵌入式系统温湿度测试的理想选择。