新型温湿度传感器SHT10的原理及应用

　　摘要：详细介绍Sensirion传感器公司推出的新型集成数字式温湿度传感器。该传感器采用CMOSens技术将温度湿度传感器、A/D转换器及数字接口无缝结合，使传感器具有体积小、响应速度快、接口简单、性价比高等特点。本文结合实例讲解该传感器的命令、时序，以及其在单片机系统中的应用。
　　　　
　　引言
　　
　　随着社会的不断发展前进，人们进入了数字化信息时代，对生活质量的要求越来越高。汽车、空调、除湿器、烘干机等都已*，它们都离不开对温度、湿度等环境因素的要求。
　　
　　瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工技术（CMOSenstechnology），确保产品具有*的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗*力强等优点。
　　
　　1、SHT10的特点
　　
　　SHT10的主要特点如下：
　　
　　◆相对湿度和温度的测量兼有露点输出；
　　
　　◆全部校准，数字输出；
　　
　　◆接口简单（2-wire）,响应速度快；
　　
　　◆超低功耗，自动休眠；
　　
　　◆出色的长期稳定性；
　　
　　◆超小体积（表面贴装）；
　　
　　◆测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃（25℃）。
　　
　　2、引脚说明及接口电路
　　
　　（1）典型应用电路
　　
　　SHT10典型应用电路如图1所示。　　
　　（2）电源引脚（VDD、GND）
　　
　　SHT10的供电电压为2.4V～5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。
　　
　　（3）串行接口
　　
　　SHT10的两线串行接口（bidirectional2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。
　　
　　①串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有zui小时钟频率。
　　
　　②串行数据（DATA）。DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。
　　
　　为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。
　　
　　3、命令与时序
　　
　　（1）SHT10命令
　　
　　SHT10命令如表1所列。　　
　　（2）命令时序
　　
　　发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图2所示。其时序为：当SCK为高电平时DT翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。　　
　　紧接着的命令包括3个地址位（仅支持“000”）和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为：在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位）,在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。
　　
　　（3）测量时序（RH和T）
　　
　　“00000101”为相对湿度（RH）量，“00000101”为温度（θ）测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，zui多能够缩短30%。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。
　　
　　接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节（高8位）数据无意义。
　　
　　确认CRC数据位之后，通信结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。
　　
　　测量和通信结束后，SHT10自动进入休眠状态模式。
　　
　　（4）复位时序
　　
　　如果与SHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图3所示。保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。

　　
　　（5）状态寄存器读写时序
　　
　　SHT10通过状态寄存器实现初始状态设定。
　　
　　读状态寄存器时序如图4所示。　　
　　写状态寄存器时序如图5所示。

　　
　　4、几点说明
　　
　　①CRC-8校验。整个数据的传输过程都由8位校验保证，确保任何错误的数据都能够被检测到并删除[1]。
　　
　　②为保持自身发热温升小于0.1℃，SHTxx的激活时间不超过10%。如12位精度测量，每秒zui多测量2次。
　　
　　③转换为物理量输出相对湿度输出转换公式为：　　
　　其中，RHlinear为25℃时相对湿度的线性值，SORH为传感
　　
　　器输出的相对湿度的数值,c1，c2,c3为系数，如表3所列。
　　
　　当测量温度与25℃相差较大时，则需要考虑传感器的温度系数：　　
　　其中，RHtrue为温度不等于25℃时相对湿度的实际值，θc为当前温度，t1、t2是系数，如表4所列。　　
　　温度输出转换公式为：　　
　　其中，θ为实际温度，SOθ为传感器输出的温度数值，θ1,θ2为系数，如表5、表6所列。

　　
　　由于湿度与温度经由同一块芯片测量而得，因此SHT10可以同时实现高质量的露点测量。
　　
　　5、SHT10与ATmegal的应用实例及总结
　　
　　这里以SHT10与Atmel公司低功耗8位RISC指令集的ATmega8L（内部8MHz振荡频率）MCU的接口电路为例，给出实际应用电路及控制程序实例。
　　
　　本例采用ATmega8L微控制器控制SHT10，读取温湿度数据，并将结果显示在LCD1602（采用4位模式）上，如图6所示。　　
　　程序采用C语言模块化设计，大大方便被移植到其他MCU上使用，提高了工作效率。