溫濕度傳感器SHT15及其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

王冬霞，張玉輝，洪耀球

（景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 江西 景德鎮(zhèn) 333000）

氡及其子體的測量是一個涵蓋智能儀器、核輻射探測、核技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境評價、工業(yè)計量、工業(yè)自動化、計算機通信與軟件等多領(lǐng)域的問題。然而氡及其子體濃度受溫濕度的影響很大[1，4]，因此溫濕度的測量對于測氡儀來說是非常重要的。傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都要涉及信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，所以測量精度難以保證[1]。由某公司生產(chǎn)的SHT15單芯片傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)（CMOSens），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件，并與1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[5]。系統(tǒng)采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，有130個多功能輸入/輸出端口[3，6]，所以在設(shè)計時直接利用S3C2440A的通用 I/O口來模擬通信時序控制SHT15，整個電路設(shè)計簡單。

1 SHT15簡介

1.1 SHT15性能特點

SHTl5是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。其主要特點如下：

1）將溫濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個芯片上；

2）提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗；

3）測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器；

4）提供溫度補償和濕度測量值以及高質(zhì)量的露點計算功能；

5）由于采用了CMOSensTM技術(shù)，可浸入水中進(jìn)行測量。

1.2 SHT15性能參數(shù)

SHT15的性能參數(shù)如下：

1） 濕度測量范圍：0～100%RH；2） 溫度測量范圍：－40～+123.8℃；3）濕度測量精度：±2.0%RH；4）溫度測量精度：±0.3 ℃；5）響應(yīng)時間：8 s（tau63%）；6）可完全浸沒。

由于該款溫濕度傳感器具有高精度，并能浸入水中測量等特點，而所設(shè)計的測氡儀要求具有測量土壤、大氣，水中氡濃度的功能，因此采用該款溫濕度傳感器完全滿足要求。

1.3 SHT15內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD（LCC）表面貼片封裝形式[5]，如圖1所示。其中引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2.4～5.5 VDC，為了達(dá)到傳感器的最高精確度，供電電壓為3.3 V為宜。引腳2為數(shù)據(jù)線，引腳3為時鐘線，引腳5～8為空管腳。

圖1 SHT15引腳圖Fig.1 Pin map of SHT15

數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SHT15內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structural of SHT15

該芯片包括1個電容性聚合體濕度敏感元件和1個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT15在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲在校準(zhǔn)寄存器中，在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會自動校準(zhǔn)來自傳感器的信號。此外，SHT15內(nèi)部還集成了1個加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT15的溫度升高5℃左右，同時功耗也會有所增加。此功能主要是為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕（>95%RH）環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時縮短響應(yīng)時間，提高精度。加熱后SHT15溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。

2 硬件設(shè)計

微處理器可通過二線串行數(shù)字接口與SHT15進(jìn)行通信，由于其通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議不兼容[2]，所以在設(shè)計時直接利用S3C2440A的通用I/O口來模擬通信時序控制SHT15。 S3C2440A 有 130個通用 I/O 口[3，6]，共分為 9 組（GPAGPJ），其中GPG包括16路I/O口。S3C2440A引腳采用289－FBGA封裝，GPG9及GPG10對應(yīng)引腳功能圖如表1所示。

表1 S3C2440A 289引腳FBGA的管腳分配表（部分）Tab.1 S3C2440A 289-pin FBGA pin assignments（Part）

設(shè)計中利用S3C2440A的GPG9模擬時鐘信號，GPG10來模擬數(shù)據(jù)信號（數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻），硬件連接圖如圖3所示。

圖3 微控制器與SHT15的硬件連接圖Fig.3 Hardware circuit connection diagram of micro-process and SHT15

3 軟件設(shè)計

在程序開始，控制器S3C2440A需要用一組“啟動傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟痆5]。它包括：當(dāng)SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖降膯?，如圖4所示，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后又變?yōu)楦唠娖?，SCK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。

圖4 啟動傳輸時序Fig.4 Sequence of transmission start

控制器發(fā)出啟動命令后，接著發(fā)出一個后續(xù)8為命令碼。后續(xù)命令包含3個地址位（目前只支持“000”）和5個命令位。相應(yīng)代碼對應(yīng)的命令集如表2所示。

表2 SHT15命令集Tab.2 Command set of SHT15

SHT15接收到上述地址和命令碼后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK；在第9個時鐘下降沿之后，從機釋放DATA（恢復(fù)高電平）總線；釋放總線后，從機開始測量當(dāng)前濕度，測量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機檢測到DATA總線被拉低后，得知濕度測量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時鐘信號；從機在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個時鐘下降沿，主機將DATA總線拉低作為ACK信號。然后釋放總線DATA；在隨后8個SCK周期下降沿，從機發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號；最后8個SCK下降沿從機發(fā)出CRC校驗數(shù)據(jù)，主機不予應(yīng)答（NACK）則表示測量結(jié)束。

本設(shè)計中微處理器為三星公司的S3C2440A，通過對I/O寄存器編程來模擬通信過程。該處理器的I/O口可根據(jù)需要設(shè)置成輸入、輸出，高阻等狀態(tài)。在軟件實現(xiàn)過程中通過子函數(shù)來實現(xiàn)I/O口狀態(tài)的改變。

//設(shè)置時鐘為輸入

void SHT_SCK_In（）{

rGPGCON=rGPGCON & （～（0X1 ＜＜18）） & （～（0X1＜＜19））；

}

//設(shè)置時鐘為輸出

void SHT_SCK_Out（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜19）） ｜（0x1＜＜18）；

}

//設(shè)置數(shù)據(jù)信號為輸入

void SHT_DATA_In（） {

rGPGCON=rGPGCON & （～（0X1 ＜＜20）） & （～（0X1＜＜21））；

}

//設(shè)置數(shù)據(jù)信號為輸出

void SHT_DATA_Out（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

}

//DATA為低電平

void SHT_DATA_CLR（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

rGPGDAT=rGPGDAT& （～（0X1＜＜10））；

}

//DATA為高電平

void SHT_DATA_SET（） {

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

rGPGDAT=rGPGDAT ｜（0X1＜＜10）；

}

以上函數(shù)可以實現(xiàn)SCK和DATA總線的各種輸入與輸出狀態(tài)。在SHT15的通信中還需要延時函數(shù)，設(shè)計時采用函數(shù)void Delay1ms（U32 tt）實現(xiàn)軟延時。這樣就能完成對SHT15通信協(xié)議的模擬。

Void Delay1ms（U32 tt） {

U32 i；

for（；tt>0；tt－－） {

for（i=0；i＜26000；i++）{}

}

}

4 溫濕度及露點的計算

4.1 相對濕度

SHT15可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，其相對濕度系數(shù)輸出特性曲線如圖5所示。

圖5 從SORH轉(zhuǎn)換為相對濕度圖Fig.5 Conversion from SORHto relative humidity

由圖5可知，SHT15的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采用式（1）來修正輸出數(shù)值。

其中 C1，C2，C3的值如表 3所示，SHT15的相對濕度輸出值（SORH）為 12 bit。

表3 濕度線性補償系數(shù)Tab.3 Humidity conversion coefficients

4.2 溫度計算及相對濕度的溫度補償

該溫濕度傳感器具有很好的線性，可用式（2）將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值。溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)如表4所示。

表4 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.4 Temperature conversion coefficients

實際測量時利用式（3）修正溫度系數(shù)。溫度補償系數(shù)如表5所示。

表5 溫度補償系數(shù)Tab.5 Temperature compensation coefficients

4.3 露點計算

露點是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點時，空氣容納不了過多的水份，這些水份會變成霧、露水或霜。露點可以根據(jù)當(dāng)前相對濕度值和溫度值計算得出，具體的計算公式如下：

式中，T為當(dāng)前溫度值，SORH為相對濕度值，Dp為露點。

5 實驗結(jié)果

采用測氡儀對室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量，同時測量溫濕度，為了保證測量的準(zhǔn)確性，在不同地方對大氣中進(jìn)行了測量，同時測量測試為20次，求平均值計算，測量結(jié)果如表6所示。

表6 氡濃度及溫濕度測量值Tab.6 The measurements of radon concentration，temperature and humidity

6 結(jié)束語

本文提出了數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并詳細(xì)介紹了測氡儀溫濕度測控模塊的設(shè)計過程。由于SHT15集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字輸出，具有精度高、體積小、抗干擾性強等優(yōu)點。作為測氡儀溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。該設(shè)計也為其在其他監(jiān)控設(shè)備中的應(yīng)用提供參考作用。

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[5] The SENSIRION Company.SHT1X/SHT7X Humidity&Temperature Sensor[EB/OL].[2007-08-15].http://www.sensirion.com/en/pdf/Datasheet_SHT1x_SHT7x.pdf

[6] SUMSUNG Electronics.S3C2440A USER’S MANUAL[EB/OL].[2004-03-15].http://www.samsung.com/global/business/semiconductor/index.html.