基于SHT11傳感器的測控設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐岳峰，朱巍巍，謝克佳，羅 義

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

在測控設(shè)備遠(yuǎn)程操控建設(shè)中，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程加電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程操控機(jī)房控制測控設(shè)備每個(gè)分系統(tǒng)的加斷電功能[1]。隨著遠(yuǎn)程操控精細(xì)化的進(jìn)一步需求，需要對測控設(shè)備工作溫濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，必要時(shí)進(jìn)行機(jī)房溫濕度的調(diào)節(jié)。溫濕度監(jiān)測與控制在土壤環(huán)境、機(jī)房、車間、電梯及水電領(lǐng)域已有諸多應(yīng)用[2-7]，按照通信方式，主要分為無線監(jiān)測[8-10]和有線監(jiān)測[3,11,12]。溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵器件有DHT11傳感器[4]、DS18B20傳感器[5]、MTS310傳感器[8]、SHT71傳感器[9,10,13]、SHT11傳感器[14-16]、AT89C51[17]單片機(jī)以及FPGA器件[18]等。SHT11的優(yōu)點(diǎn)為無需外部模擬電路，可直接被微控制器訪問，精度高、長期穩(wěn)定性好、反應(yīng)速度快、能耗低[15-16]。本文基于測控設(shè)備遠(yuǎn)程加電硬件板[1]設(shè)計(jì)，采用SHT11傳感器和X3CS200芯片進(jìn)行功能拓展，實(shí)現(xiàn)了溫濕度信息的采集、存貯、傳輸和計(jì)算，在監(jiān)測到溫濕度不滿足要求時(shí)，采用遠(yuǎn)程加電、斷電功能通過溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 SHT11傳感器的工作原理

SHT1x系列采用工業(yè)CMOSens TM技術(shù)制作，溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、總線接口全部集成于一芯片，體積小，可表面貼裝。該器件數(shù)字化輸出，濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位，具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。

SHT1x典型應(yīng)用電路如圖1所示，輸出接口采用具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，通過時(shí)鐘引腳SCK和數(shù)據(jù)引腳DATA完成數(shù)據(jù)傳輸。SCK用于微處理器和傳感器SHT之間通信的同步，DATA引腳為三態(tài)數(shù)據(jù)引腳，用于從器件中輸入和輸出數(shù)據(jù)。DATA在SCK的下降沿之后變化，在上升沿時(shí)有效。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)SCK是高電平時(shí)，DATA線必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器僅可驅(qū)動(dòng)DATA為低電平。因此，需要一個(gè)額外的電阻來把信號拉高，上拉電阻一般包含在微處理器的電路中。

圖1 SHT1x系列典型應(yīng)用電路

1.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，溫濕度采集利用SENSIRION公司的溫濕度傳感器SHT11實(shí)現(xiàn)，SHT11控制模塊在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，完成對SHT11傳感器的指令發(fā)送及檢測結(jié)果的讀取和解碼，利用VHDL硬件語言編寫。SHT11控制模塊獲得的溫度和濕度通過串口發(fā)送，并經(jīng)NPort轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式，傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，在監(jiān)控軟件上實(shí)時(shí)顯示。

圖2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)

SHT11的主要時(shí)序包括命令時(shí)序、測量數(shù)據(jù)時(shí)序、數(shù)據(jù)輸出時(shí)序和復(fù)位時(shí)序。命令時(shí)序指由微處理器向SHT11發(fā)送命令字，包含3個(gè)地址比特和5個(gè)命令比特。在發(fā)送命令時(shí)序前需要一個(gè)啟動(dòng)序列信號，序列信號的定義為：在SCK高電平時(shí)，DATA變成低電平并保持，當(dāng)SCK信號產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖后變成高電平時(shí)，DATA變?yōu)楦唠娖健?/p>

啟動(dòng)序列后，微處理器即可發(fā)送命令序列，共8 bit，SHT接收到8 bit命令后，返回微處理器一個(gè)應(yīng)答信號。應(yīng)答信號的定義是：在命令序列的第8個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿后，SHT把DATA引腳拉低，在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，釋放DATA。

SHT正確接收命令序列后，進(jìn)入測量周期，此時(shí)DATA保持高電平。測量時(shí)間大約為11 ms(8 bit)、55 ms(12 bit)和210 ms(14 bit)。測量結(jié)束后，SHT把DATA線拉低，開始進(jìn)入數(shù)據(jù)輸出時(shí)序。

數(shù)據(jù)輸出時(shí)，先輸出高位，后輸出低位。例如默認(rèn)狀態(tài)下，測量溫度使用14 bit輸出，最高位默認(rèn)為零，即在DATA線被SHT拉低后，第1個(gè)SCK時(shí)鐘周期，SHT輸出為零，第2個(gè)時(shí)鐘周期開始輸出溫度值；同理，測量濕度使用12 bit，則前4個(gè)SCK時(shí)鐘周期，SHT輸出為零，從第5個(gè)周期開始輸出濕度值。SHT每發(fā)送8 bit，需要微處理器返回一個(gè)應(yīng)答信號，共發(fā)送3 Byte數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，在測量結(jié)果的最低位發(fā)送后，微處理器不再返回ACK信號，而是直接把ACK信號拉高。

1.4 溫濕度值計(jì)算

1.4.1 濕度計(jì)算

濕度傳感器是一個(gè)非線性器，首先需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償，公式為RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2，其中，SORH為SHT輸出值(十進(jìn)制數(shù))，其他參數(shù)如表1所示。

表1 濕度計(jì)算參數(shù)表

SORH/bitC1C2C312 -40.040 5-2.8×10-68 -40.648-7.2×10-4

1.4.2 溫度計(jì)算

溫度傳感器為一個(gè)線性器件，計(jì)算公式為：T=d1+d2×SOT，各參數(shù)取值如表2所示。

表2 溫度計(jì)算參數(shù)表

VDD/Vd1/℃SOT/bitd2/℃3.5-39.66140.013-39.60120.04

1.4.3 CRC計(jì)算

生成多形式為x8+x5+x4，檢測的故障類型有奇數(shù)故障、2 bit故障、8 bit以內(nèi)的連續(xù)故障等。該器件輸出的CRC碼是命令序列并聯(lián)測量值的校驗(yàn)和，例如測量濕度，輸入命令為0x05，測量結(jié)果是0x0931，則CRC輸出的結(jié)果相當(dāng)于0x050931的校驗(yàn)值，若按照逐字節(jié)計(jì)算的方法，計(jì)算過程如圖3所示。

圖3 CRC計(jì)算示意圖

CRC值與溫濕度值的輸出不同，溫濕度值先輸出高位，而CRC值先輸出低位。因此，控制模塊從SHT中讀取CRC后，需要把讀取的值倒置一下。

2 模塊及功能設(shè)計(jì)

頂層模塊包括4個(gè)子模塊，即串口接收模塊、串口發(fā)送模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊和SHT控制模塊。SHT控制模塊完成對溫濕度傳感器SHT11的命令輸入和測量數(shù)據(jù)讀取，是核心模塊。

SHT控制模塊包含兩部分，一為測量控制模塊，是輸入SHT命令序列和讀取測量數(shù)據(jù)的控制模塊，主要完成功能是當(dāng)從串口接收到指令代碼時(shí)，判斷需要進(jìn)行溫度(或濕度)測量還是讀取測量數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)值并寄存；二為發(fā)送控制模塊，是發(fā)送測量數(shù)據(jù)的控制模塊，主要功能是檢測到SHT11模塊測量完畢后，依次輸出指令代碼、溫度、濕度和CRC值到串口發(fā)送模塊。

2.1 測量控制模塊設(shè)計(jì)

測量控制模塊包含3部分:① Cndprocess模塊用于發(fā)送啟動(dòng)序列和命令序列；② MeasureT_RH模塊等待SHT測量完畢后，用于讀取測量的溫濕度值，并根據(jù)相應(yīng)的時(shí)序返回ACK信號；③ ControlMachine模塊當(dāng)接收到相應(yīng)命令代碼時(shí)，觸發(fā)Cndprocess模塊，發(fā)送測量命令，在MeasureT_RH模塊測量完畢后寄存測量值和CRC校驗(yàn)值，完成測量后，設(shè)置mea_end=1表示測量完畢。ControlMachine模塊的輸入輸出接口如表3所示。

表3 ControlMachine模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數(shù)功能描述clkinput1時(shí)鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復(fù)位信號,低電平有效finishinput1測量過程標(biāo)示MeaCodeinput16測量命令代碼MeaStartinput1串口使能信號commendoutput3SHT的命令代碼序列Mea_endoutput1測量完畢指示信號,上升沿有效startoutput1發(fā)送SHT起始序列的觸發(fā)信號

其主要功能是：根據(jù)串口輸入的字節(jié)值，選擇不同的測量命令序列，并觸發(fā)開始測量信號。模塊工作的流程圖如圖4所示。

圖4 ControlMachine模塊流程

Cndprocess模塊的輸入輸出接口如表4所示。

表4 Cndprocess模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數(shù)功能描述clkinput1時(shí)鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復(fù)位信號,低電平有效startinput1發(fā)送SHT起始序列的觸發(fā)信號,高電平有效commendinput3SHT的命令代碼序列ackoutput1ACK信號,布爾類型,true有效doutoutput1SHT器件DATA線的輸出值sckxoutput1SHT器件的時(shí)鐘信號SCKwenoutput1三態(tài)端口信號的使能信號

完成SHT器件的起始命令序列、溫度/濕度測量命令序列以及ACK信號的傳輸，同時(shí)產(chǎn)生SHT器件的SCK時(shí)鐘信號，主要采用計(jì)數(shù)器法，對命令序列進(jìn)行賦值。流程圖設(shè)計(jì)如圖5所示，信號sck_c為一個(gè)2 bit的信號，在時(shí)鐘clk的觸發(fā)下，進(jìn)行循環(huán)加1，而在sck_c=“01”或“02”時(shí)，令sckx=1，其他情況等于0，從而產(chǎn)生SHT器件的SCK信號。

圖5 Cndprocess模塊流程

MeasureT_RH模塊的輸入輸出接口定義如表5所示。

表5 MeasureT_RH模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數(shù)功能描述clkinput1時(shí)鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復(fù)位信號,低電平有效sckinput1SHT器件的時(shí)鐘信號SCKack_cndinput1ACK信號,布爾類型,true有效crcoutput7SHT器件輸出的CRC校驗(yàn)碼dataT_RHoutput16SHT器件輸出的溫度/濕度測量值finishoutput1讀取測量值標(biāo)示信號,1表示閑,0標(biāo)示忙sht_readyoutput1SHT內(nèi)部測量過程的標(biāo)示信號ack_moutput1ACK信號,布爾類型,true有效wenoutput1三態(tài)端口信號的使能信號

完成讀取SHT器件溫度/濕度測量值和CRC校驗(yàn)碼，并完成對ACK信號的傳輸。首先，當(dāng)命令序列發(fā)送完畢后，等待SHT返回ACK信號，檢測到ACK信號后，說明SHT已經(jīng)正確接收到命令序列，開始測量。其次，等待SHT的“準(zhǔn)備完畢”信號(SHT把DATA線拉低)有效后，采用計(jì)數(shù)器法，對讀取的測量值和CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行控制，通過檢測SCK時(shí)鐘的上升沿，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的疊加，具體流程如圖6所示。

圖6 MeasureT_RH模塊流程

2.2 發(fā)送控制模塊設(shè)計(jì)

完成向串口模塊發(fā)送4 Byte的控制功能，模塊外部接口定義如表6所示。

表6 發(fā)送控制模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數(shù)功能描述clkinput1時(shí)鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復(fù)位信號,低電平有效Mea_endinput1SHT測量結(jié)束標(biāo)識信號DATAT_RHinput16溫濕度測量值的輸出crcinput8CRC校驗(yàn)值Commendinput3SHT的命令序列Tra_startoutput1串口的發(fā)送起始信號TraSHT_finishoutput1串口發(fā)送過程的標(biāo)示信號TraDataoutput8發(fā)送至串口的數(shù)據(jù)

發(fā)送的4個(gè)字節(jié)主要包括：測量命令1 Byte(0xCC或0xDD)、測量值2 Byte(溫度值或濕度值)和測量值的CRC校驗(yàn)碼1 Byte。返回測量命令的作用是：對測量結(jié)果進(jìn)行識別，便于測量值的計(jì)算和校驗(yàn)。

3 溫濕度監(jiān)測精度分析

如圖2所示，搭建溫濕度測量環(huán)境平臺，測試環(huán)境為測控設(shè)備機(jī)房。根據(jù)器件說明書，采用14位數(shù)據(jù)測量溫度的分辨率為0.01 ℃，量程范圍為-40 ℃～123.8 ℃，溫度最大測量誤差為±3 ℃，在-20 ℃～40 ℃范圍內(nèi)，測量誤差< 1.5 ℃。采用12位數(shù)據(jù)測量濕度的分辨率為0.03%，量程范圍為0～100%，濕度測量在20%～80%范圍內(nèi)，測量誤差為±3%，其他范圍隨測量濕度變化而現(xiàn)行變化，最大為±5%。

以“逸品博洋HTC-8”型溫濕度計(jì)為參考，通過空調(diào)控制測控設(shè)備內(nèi)溫度和濕度，HTC-8溫濕度計(jì)和自行設(shè)計(jì)的溫濕度計(jì)同時(shí)測量并記錄，獲得數(shù)據(jù)如表7所示。從表中可看出，本設(shè)計(jì)的溫度測量值與參考溫濕度計(jì)的測量值(HTC-8)之間誤差<1℃，濕度測量值之間的誤差小于4%。根據(jù)測控設(shè)備日常環(huán)境溫濕度要求，本設(shè)計(jì)能夠滿足正常的環(huán)境監(jiān)控需求。

表7 溫濕度測量結(jié)果比較表

序號溫度/℃濕度/%SHT-11HTC-8SHT-11HTC-8126.7826.722.122225.6525.523.721324.2424.325.622423.5023.526.523522.7022.827.925

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的測控設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)與原遠(yuǎn)程加電系統(tǒng)功能融合，通過控制加熱器、除濕機(jī)等電器通電和斷電方式在一定程度上達(dá)到了設(shè)備環(huán)境溫濕度監(jiān)測及控制的目的，但是這種方式還具有一定局限性，后續(xù)將進(jìn)一步研究對空調(diào)等電器設(shè)備的遠(yuǎn)程設(shè)置。