IIC數(shù)字輸出溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Scnsirion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(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。共主要特點(diǎn)如下：

◆高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；

◆提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；

◆測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器（分辨率為8～12位，可以通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程米選擇）；

◆測(cè)量度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；

◆封裝尺寸超小（7.62 mm×5.08mm×2.5 mm），測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；

◆高可靠性，采用CMOSens工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭*浸于水中。

    2 SHT11的引腳功能

    SHT11溫濕度傳感器采用SMD（LCC）表面貼片封裝形式，接口非常簡(jiǎn)單，引腳名稱及排列順序如

各引腳的功能如下：

◇腳1和4--信號(hào)地和電源，其工作電壓范圍是2.4～5.5 V；

◇腳2和腳3--二線串行數(shù)字接口，其中DA-TA為數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；

◇腳5～8--未連接。

    3 SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

    溫濕度傳感器SHT11將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首*入微弱信號(hào)傳感器進(jìn)行放大；然后進(jìn)入一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器；zui后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境巾進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測(cè)量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)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(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。

    微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHT11進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I／O口傳感器該通信時(shí)序。微處理器對(duì)SHT11的控制是通過5個(gè)5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。

   4 SHT11應(yīng)用設(shè)計(jì)

    微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進(jìn)行通信，所以硬件接門設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計(jì)中，需要用微處理器通用I／O口模擬通信協(xié)議。

   4.1 硬件設(shè)計(jì)

    SHT11通過二線數(shù)字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了*靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCKzui低頻率沒有要求；當(dāng)工作電壓高于4.5V時(shí)，SCK頻率zui高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4.5 V時(shí)，SCKzui高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖3所示。

    4.2 軟件設(shè)計(jì)

    微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開始，微處理器需要用一組"啟動(dòng)傳輸"時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)，如圖4所示。當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后又變?yōu)楦唠娖?；在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。

    SHT11濕度測(cè)試時(shí)序如圖5所示。其中，陰影部分為SHT11控制總線。主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令，隨后發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼，該命令碼包含3個(gè)地址位（芯片設(shè)定地址為000）和5個(gè)命令位；發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHT11的響應(yīng)；SHT11 接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA（恢復(fù)高電平）總線；釋放總線后，從機(jī)開始測(cè)量當(dāng)前濕度，測(cè)量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，得知濕度測(cè)量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時(shí)鐘信號(hào)；從機(jī)在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)。然后釋放總線DATA；在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號(hào)；zui后8個(gè)SCK下降沿從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，主機(jī)不予應(yīng)答（NACK）則表示測(cè)量結(jié)束。