新型温温度传感嚣SHTl0的原理及应用

2011-06-14 10:42:01来源: 互联网 关键字:新型  传感  原理  应用

摘 要 详细介绍Sensirion传感器公司推出的新型集成数字式温湿度传感器。该传感器采用CMOSens专利技术将温度湿度传感器、A/D转换器及数字接口无缝结合,使传感器具有体积小、响应速度快、接口简单、性价比高等特点。本文结合实例讲解该传感器的命令、时序,以及其在单片机系统中的应用
关键词 SHTl0 温湿度传感器 数字传感器 ATmeg8L


引 言
    随着社会的不断发展前进,人们进入了数字化信息时代,对生活质量的要求越来越高。汽车、空调、除湿器、烘干机等都已家喻户晓,它们都离不开对温度、湿度等环境因素的要求。
    瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术(CMOSens technology),确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成,并与1个14位A/D转换器以及1个2一wire数字接口在单芯片中无缝结合,使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。


1 SHTl0的特点
    SHTlO的主要特点如下:
    ◆相对湿度和温度的测量兼有露点输出;
    ◆全部校准,数字输出;
    ◆接口简单(2一wire),响应速度快;
    ◆超低功耗,自动休眠;
    ◆出色的长期稳定性;
    ◆超小体积(表面贴装);
    ◆测湿精度±4.5%RH,测温精度±O.5℃(25℃)。


2 引脚说明及接口电路
    (1)典型应用电路
    SHTlO典型应用电路如图1所示。

    (2)电源引脚(VDD、GND)
    SHTlO的供电电压为2.4~5.5 V。传感器上电后,要等待11 ms,从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚(VDD和GND)之间可增加1个100 nF的电容器,用于去耦滤波。
    (3)串行接口
    SHTlO的两线串行接口(bidirectional 2一wire)在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理,其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。
    ①串行时钟输入(SCK)。SCK引脚是MCU与SHTlO之间通信的同步时钟,由于接口包含了全静态逻辑,因此没有最小时钟频率。
    ②串行数据(DATA)。DATA引脚是1个三态门,用于MCU与SHTlO之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变,在SCK的上升沿有效。在数据传输期间,当SCK为高电平时,DATA数据线上必须保持稳定状态。
    为避免数据发生冲突,MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态,而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。


3 命令与时序
    (1)SHTl0命令
    SHTlO命令如表1所列。

    (2)命令时序
    发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化,如图2所示。其时序为:当SCK为高电平时DATA翻转保持低电平,紧接着SCK产生1个发脉冲,随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。
    紧接着的命令包括3个地址位(仅支持“000”)和5个命令位。SHTl0指示正确接收命令的时序为:在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平(ACK位),在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA(此时为高电平)。

    (3)测量时序(RH和T)
    “000 00101”为相对湿度(RH)测量,“000 0001l”为温度(θ)测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束,这个过程大约需要20/80/320 ms,对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化,最多能够缩短30%。SHTlO下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前,控制器必须等待这个“数据准备好”信号。
    接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始,至LSB有效。例如对于12位数据,第5个SCK时钟时的数值作为MSB位;而对于8位数据,第1个字节(高8位)数据无意义。
    确认CRC数据位之后,通信结束。如果不使用CRC一8校验,控制器可以在测量数据LSB位之后,通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。
    测量和通信结束后,SHTlO自动进入休眠状态模式。
    (4)复位时序
    如果与SHTlO的通信发生中断,可以通过随后的信号序列来复位串口,如图3所示。保持DATA为高电平,触发SCK时钟9次或更多,接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口,状态寄存器的内容仍然保留。
    (5)状态寄存器读写时序
    SHTl0通过状态寄存器实现初始状态设定。

  读状态寄存器时序如图4所示。

    写状态寄存器时序如图5所示。

    状态寄存器位如表2所列。

4 几点说明
    ①CRC一8校验。整个数据的传输过程都由8位校验保证,确保任何错误的数据都能够被检测到并删除。
    ②为保持自身发热温升小于O.1℃,SHTxx的激活时间不超过10%。如12位精度测量,每秒最多测量2次。
    ③转换为物理量输出。相对湿度输出转换公式为:

   
    其中,RHlinear为25℃时相对湿度的线性值,SORH为传感器输出的相对湿度的数值,c1,c2,c3为系数,如表3所列。
    当测量温度与25℃相差较大时,则需要考虑传感器的温度系数:

   
    其中,RHtrue为温度不等于25℃时相对湿度的实际值,θ为当前温度,t1、t2是系数,如表4所列。

    温度输出转换公式为:

   
    其中,θ为实际温度,SOθ为传感器输出的温度数值,θ1,θ2为系数,如表5、表6所列。

    由于湿度与温度经由同一块芯片测量而得,因此SHTlO可以同时实现高质量的露点测量。具体算法可参阅参考文献,这里不再详述。


5 SHTl0与ATmega8L的应用实例
    这里以SHTlO与Atmel公司低功耗8位RISC指令集的ATmega8L(内部8 MHz振荡频率)MCU的接口电路为例,给出实际应用电路及控制程序实例。本例采用ATmega8L微控制器控制SHTlO,读取温湿度数据,并将结果显示在LCDl602(采用4位模式)上,如图6所示。
    程序采用C语言模块化设计,大大方便被移植到其他MCU上使用,提高了工作效率。

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