I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用

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：SHTH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CMOSensTM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；12c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CM0SensTM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

・将温湿度传感器、信号放大调理、A/D

转换、12c总线接口全部集成于一芯片；

・可给出全校准相对湿度及温度值输出；

・带有T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，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550uA,平均为

28UA,休眠时为3口A。

sHT11温湿度传感器采用SMD(L

CC)表面贴片封装形式，管脚排列如图1

所示，其引脚说明

(l)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；

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。SHT

11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0TP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

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

RH1inear=cl+c2S0RH

+c3SORH2

式中，S0RH为传感器相对湿度测量值,

系数取值

12位：S0RH：c1=~4,c2=

0.0405,c3=一2.8X10-6

8位:S0RH：c1=-4,c2=0.6

48,c3=-7.2X10-4

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=dl+d2SOT

当电源电压为5V,且温度传感器的分辨率

为14位时，d1=~40d2=0.0

1,当温度传感器的分辨率为12位时，d

1=-40d2=0.04。

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

LogEW=+[log10—2]

Dp=[X2

37.3]/

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1SHT11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H110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

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。

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SCK9次以上，此后

应接着发一个“传输开始”命令。

表2SHT11状态寄存器类型及说明位类型说

明缺省7保留06读工检限X5保

留04保留03只用于试验，不可以

使用02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012位相对湿度，14位湿

度

温湿度测量时序

当发出了温度测量命令后，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11/55/210m

s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S

CK,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a

ck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%。测量温度和湿度命令所对应的时

序如图4所示。

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

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@5

Vo加热用途

・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。

低电压检测

SHT11工作时可以自行检测VDD电

压是否低于2.45V,准确度为士0.1

V。

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。

测量分辨率设定

将测量分辨率从14位和12位分别减到

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，$。1€和口八丁人信号平

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SH

T11的接口电路。由于AT89C205

1不具备I2c总线接口，故使用单片机通

用I/0口线来虚拟I2C总线，并利用P

1.0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4.7kQ的上拉电阻，同时，在VDD

及GND端接入一只0.1UF的去耦电容。

下面给出与上述硬件电路配套的C51应

用程序。

#defineDATAP1_1

#defineSCKPl_0

#defineACK1

#definenoACK0

#defineMEASURETEM

P0x03//测量温度命令

#defineMEASURE_HUM

I0x05//测量湿度命令

//读温湿度数据

chars—measure(unsi

gn

edchar*p-value,

un-signedchar*p_ch

ecksum,unsignedcha

rmode)

unsignedcharerror

=o;

unsignedinti;

stransstart0;//传输开

始

switch(mode){

case

TEMP:error+=s_write

byte(measuretemp);

break;

case

HUMI:error+=swrite

byte(measure_humi);b

reak;

defau1t:break;

for(i=0;i<65535;i++)

if(DATA==0)break;

if(DATA)reeor+=l;

*(p_value)=s_read_byt

e(ACK);

*(pvalue+l)=s_readb

yte(ACK);

*p_checksum=sread_b

yte(noACK);

returnerror;

//温湿度值标度变换及温度补偿

voidca1c_sthl5(f1oa

t*p_humidity,float

*ptempera-ture)

constfloatc1=—4.0;

constfloatc2=0.040

5;

constfloatc3——0.00

00028

constfloatt1=-0.01;

constfloatt2=0.000

08;

floatrh=Xp_humidit

y;

floatt=Xptemperat

ure;

floatrh_1in;

floatth_ture;

floatt_c;

t_c=tX0.01—40;

rh_1in=c3XrhXrh+c2