新型溫濕度傳感器SHT10的原理及應用

　　摘要：詳細介紹Sensirion傳感器公司推出的新型集成數字式溫濕度傳感器。該傳感器采用CMOSens技術將溫度濕度傳感器、A/D轉換器及數字接口無縫結合，使傳感器具有體積小、響應速度快、接口簡單、性價比高等特點。本文結合實例講解該傳感器的命令、時序，以及其在單片機系統中的應用。
　　　　
　　引言
　　
　　隨著社會的不斷發展前進，人們進入了數字化信息時代，對生活質量的要求越來越高。汽車、空調、除濕器、烘干機等都已*，它們都離不開對溫度、濕度等環境因素的要求。
　　
　　瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過程微加工技術（CMOSenstechnology），確保產品具有*的可靠性和出色的長期穩定性。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A/D轉換器以及1個2-wire數字接口在單芯片中無縫結合，使得該產品具有功耗低、反應快、抗*力強等優點。
　　
　　1、SHT10的特點
　　
　　SHT10的主要特點如下：
　　
　　◆相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；
　　
　　◆全部校準，數字輸出；
　　
　　◆接口簡單（2-wire）,響應速度快；
　　
　　◆超低功耗，自動休眠；
　　
　　◆出色的長期穩定性；
　　
　　◆超小體積（表面貼裝）；
　　
　　◆測濕精度±45%RH，測溫精度±0.5℃（25℃）。
　　
　　2、引腳說明及接口電路
　　
　　（1）典型應用電路
　　
　　SHT10典型應用電路如圖1所示。　　
　　（2）電源引腳（VDD、GND）
　　
　　SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態恢復。在此期間不發送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個100nF的電容器，用于去耦濾波。
　　
　　（3）串行接口
　　
　　SHT10的兩線串行接口（bidirectional2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容I2C總線。
　　
　　①串行時鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態邏輯，因此沒有zui小時鐘頻率。
　　
　　②串行數據（DATA）。DATA引腳是1個三態門，用于MCU與SHT10之間的數據傳輸。DATA的狀態在串行時鐘SCK的下降沿之后發生改變，在SCK的上升沿有效。在數據傳輸期間，當SCK為高電平時，DATA數據線上必須保持穩定狀態。
　　
　　為避免數據發生沖突，MCU應該驅動DATA使其處于低電平狀態，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。
　　
　　3、命令與時序
　　
　　（1）SHT10命令
　　
　　SHT10命令如表1所列。　　
　　（2）命令時序
　　
　　發送一組“傳輸啟動”序列進行數據傳輸初始化，如圖2所示。其時序為：當SCK為高電平時DT翻轉保持低電平，緊接著SCK產生1個發脈沖，隨后在SCK為高電平時DATA翻轉保持高電平。　　
　　緊接著的命令包括3個地址位（僅支持“000”）和5個命令位。SHT10指示正確接收命令的時序為：在第8個SCK時鐘的下降沿之后將DATA拉為低電平（ACK位）,在第9個SCK時鐘的下降沿之后釋放DATA（此時為高電平）。
　　
　　（3）測量時序（RH和T）
　　
　　“00000101”為相對濕度（RH）量，“00000101”為溫度（θ）測量。發送一組測量命令后控制器要等待測量結束，這個過程大約需要20/80/320ms對應其8/12/14位的測量。測量時間隨內部晶振的速度而變化，zui多能夠縮短30%。SHT10下拉DATA至低電平而使其進入空閑模式。重新啟動SCK時鐘讀出數據之前，控制器必須等待這個“數據準備好”信號。
　　
　　接下來傳輸2個字節的測量數據和1個字節的CRC校驗。MCU必須通過拉低DATA來確認每個字節。所有的數據都從MSB開始，至LSB有效。例如對于12位數據，第5個SCK時鐘時的數值作為MSB位；而對于8位數據，第1個字節（高8位）數據無意義。
　　
　　確認CRC數據位之后，通信結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量數據LSB位之后，通過保持ACK位為高電平來結束本次通信。
　　
　　測量和通信結束后，SHT10自動進入休眠狀態模式。
　　
　　（4）復位時序
　　
　　如果與SHT10的通信發生中斷，可以通過隨后的信號序列來復位串口，如圖3所示。保持DATA為高電平，觸發SCK時鐘9次或更多，接著在執行下次命令之前必須發送一組“傳輸啟動”序列。這些序列僅僅復位串口，狀態寄存器的內容仍然保留。

　　
　　（5）狀態寄存器讀寫時序
　　
　　SHT10通過狀態寄存器實現初始狀態設定。
　　
　　讀狀態寄存器時序如圖4所示。　　
　　寫狀態寄存器時序如圖5所示。

　　
　　4、幾點說明
　　
　　①CRC-8校驗。整個數據的傳輸過程都由8位校驗保證，確保任何錯誤的數據都能夠被檢測到并刪除[1]。
　　
　　②為保持自身發熱溫升小于0.1℃，SHTxx的激活時間不超過10%。如12位精度測量，每秒zui多測量2次。
　　
　　③轉換為物理量輸出相對濕度輸出轉換公式為：　　
　　其中，RHlinear為25℃時相對濕度的線性值，SORH為傳感
　　
　　器輸出的相對濕度的數值,c1，c2,c3為系數，如表3所列。
　　
　　當測量溫度與25℃相差較大時，則需要考慮傳感器的溫度系數：　　
　　其中，RHtrue為溫度不等于25℃時相對濕度的實際值，θc為當前溫度，t1、t2是系數，如表4所列。　　
　　溫度輸出轉換公式為：　　
　　其中，θ為實際溫度，SOθ為傳感器輸出的溫度數值，θ1,θ2為系數，如表5、表6所列。

　　
　　由于濕度與溫度經由同一塊芯片測量而得，因此SHT10可以同時實現高質量的露點測量。
　　
　　5、SHT10與ATmegal的應用實例及總結
　　
　　這里以SHT10與Atmel公司低功耗8位RISC指令集的ATmega8L（內部8MHz振蕩頻率）MCU的接口電路為例，給出實際應用電路及控制程序實例。
　　
　　本例采用ATmega8L微控制器控制SHT10，讀取溫濕度數據，并將結果顯示在LCD1602（采用4位模式）上，如圖6所示。　　
　　程序采用C語言模塊化設計，大大方便被移植到其他MCU上使用，提高了工作效率。