新型温温度传感嚣SHTl0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专利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。
关键词 SHTl0 温湿度传感器 数字传感器 ATmeg8L

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、烘干机等都已家喻户晓，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过程微加工专利技术(CMOSens technology)，确保产品具有极高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2一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、抗干扰能力强等优点。

1 SHTl0的特点
    SHTlO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(2一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±4．5％RH，测温精度±O．5℃(25℃)。

2 引脚说明及接口电路
    (1)典型应用电路
    SHTlO典型应用电路如图1所示。

    (2)电源引脚(VDD、GND)
    SHTlO的供电电压为2．4～5．5 V。传感器上电后，要等待11 ms，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100 nF的电容器，用于去耦滤波。
    (3)串行接口
    SHTlO的两线串行接口(bidirectional 2一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SHTlO之间通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。
    ②串行数据(DATA)。DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHTlO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)SHTl0命令
    SHTlO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DATA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。SHTl0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)
    “000 00101”为相对湿度(RH)测量，“000 0001l”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20／80／320 ms，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，最多能够缩短30％。SHTlO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一8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，SHTlO自动进入休眠状态模式。
    (4)复位时序
    如果与SHTlO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
    SHTl0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。

    状态寄存器位如表2所列。

4 几点说明
    ①CRC一8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。
    ②为保持自身发热温升小于O．1℃，SHTxx的激活时间不超过10％。如12位精度测量，每秒最多测量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，θ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SHTlO可以同时实现高质量的露点测量。具体算法可参阅参考文献，这里不再详述。

5 SHTl0与ATmega8L的应用实例
    这里以SHTlO与Atmel公司低功耗8位RISC指令集的ATmega8L(内部8 MHz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SHTlO，读取温湿度数据，并将结果显示在LCDl602(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。