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温湿度传感器SHT111SHT11简介 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。共主要特点如下:高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到一个芯片上;提供二线数字串行接口SCK和DATA,接口简单,支持CRC传输校验,传输可靠性高;测量精度可编程调节,内置AD转换器(分辨率为812位,可以通过对芯片内部寄存器编程米选择);测量精确度高,由于同时集成温湿度传感器,可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;封装尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm),测量和通信结束后,自动转入低功耗模式;高可靠性,采用CMOSens工艺,测量时可将感测头完全浸于水中。2 SHT11的引脚功能 SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式,接口非常简单,引脚名称及排列顺序如图1所示。各引脚的功能如下:脚1和4-信号地和电源,其工作电压范围是2.45.5 V;脚2和脚3-二线串行数字接口,其中DA-TA为数据线,SCK为时钟线;脚58-未连接。3 SHT11的内部结构和工作原理 微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的,因此需要用通用微处理器IO口模拟该通信时序。微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的,命令代码的含义如表1所列。 4 SHT11应用设计 微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信,所以硬件接门设计非常简单;然而,通信协议是芯片厂家自己定义的,所以在软件设计中,需要用微处理器通用IO口模拟通信协议。 4.1 硬件设计SHT11通过二线数字串行接口来访问,所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是:DATA数据线需要外接上拉电阻,时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步,由于接口包含了完全静态逻辑,所以对SCK最低频率没有要求;当工作电压高于4.5V时,SCK频率最高为10 MHz,而当工作电压低于4.5 V时,SCK最高频率则为1 MHz。硬件连接如图3所示。4.2 软件设计 微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA,其中SCK为时钟线,DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始,微处理器需要用一组启动传输时序表示数据传输的启动,如图4所示。当SCK时钟为高电平时,DATA翻转为低电平;紧接着SCK变为低电平,随后又变为高电平;在SCK时钟为高电平时,DATA再次翻转为高电平。 SHT11湿度测试时序如图5所示。其中,阴影部分为SHT11控制总线。主机发出启动命令,随后发出一个后续8位命令码,该命令码包含3个地址位(芯片设定地址为000)和5个命令位;发送完该命令码,将DATA总线设为输入状态等待SHT11的响应;SHT11接收到上述地址和命令码后,在第8个时钟下降沿,将DATA下拉为低电平作为从机的ACK;在第9个时钟下降沿之后,从机释放DATA(恢复高电平)总线;释放总线后,从机开始测量当前湿度,测量结束后,再次将DATA总线拉为低电平;主机检测到DATA总线被拉低后,得知湿度测量已经结束,给出SCK时钟信号;从机在第8个时钟下降沿,先输出高字节数据;在第9个时钟下降沿,主机将DATA总线拉低作为ACK信号。然后释放总线DATA;在随后8个SCK周期下降沿,从机发出低字节数据;接下来的SCK下降沿,主机再次将DATA总线拉低作为接收数据的ACK信号;最后8个SCK下降沿从机发出CRC校验数据,主机不予应答(NACK)则表示测量结束。基于以上宏定义和延时函数,可以方便地使SCK和DATA总线输出持续一定时间的高电平或低电平,从而可以模拟图5所示的温湿度传感器SHT11的读写协议。 4.3 温度和湿度值的计算 4.3.1 湿度线性补偿和温度补偿 SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为相对湿度,需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性,因此为了补偿湿度传感器的非线性,可按下式修正湿度值:式中:RHlinear为经过线性补偿后的湿度值,SORH为相对湿度测量值,C1、C2、C3为线性补偿系数,取值如表2所列。 由于温度对湿度的影响十分明显,而实际温度和测试参考温度25有所不同,所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下: 式中:RHtrue为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值,T为测试湿度值时的温度(),t1和t2为温度补偿系数,取值如表3所列。 4.3.2 温度值输出 由于SHT11是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件,因而具有很好的线性输出。实际温度值可由下式算得:Temperature=d1+d2SOT式中:d1和d2为特定系数,d1的取值与SHT11工作电压有关,d2的取值则与SHT11内部AD转换器采用的分辨率有关,其对应关系分别如表4和表5所列。4.3.3 露点计算 露点是一个特殊的温度值,是空气保持某一定湿度必须达到的最低温度。当空气的温度低于露点时,空气容纳不了过多的水分,这些水分会变成雾、露水或霜。露点可以根据当前相对湿度值和温度值计算得出,具体的计算公式如下:LogEW=0.66077+7.5T(237.3+T)+log10(SORH)-2Dp=(0.66077-logEW)237.3)(logEW-8.16077)式中:T为当前温度值,SORH为相对湿度值,Dp为露点。5 结 论 温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传
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