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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 溫濕度傳感器

新型溫濕度傳感器SHT10的原理及應(yīng)用

發(fā)布日期：2022-10-09 點(diǎn)擊率：127

摘要：詳細(xì)介紹Sensirion傳感器公司推出的新型集成數(shù)字式溫濕度傳感器。該傳感器采用CMOSens專利技術(shù)將溫度濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字接口無縫結(jié)合，使傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、接口簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)例講解該傳感器的命令、時(shí)序，以及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SHT10；溫濕度傳感器；數(shù)字傳感器；ATmeg8L

引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展前進(jìn)，人們進(jìn)入了數(shù)字化信息時(shí)代，對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高。汽車、空調(diào)、除濕器、烘干機(jī)等都已家喻戶曉，它們都離不開對(duì)溫度、濕度等環(huán)境因素的要求。

瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過程微加工專利技術(shù)（CMOSens technology），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器由1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件組成，并與1個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)2-wire數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合，使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 SHT10的特點(diǎn)

SHT10的主要特點(diǎn)如下：

◆相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出；

◆全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；

◆接口簡(jiǎn)單（2-wire）,響應(yīng)速度快；

◆超低功耗，自動(dòng)休眠；

◆出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

◆超小體積（表面貼裝）；

◆測(cè)濕精度±45%RH，測(cè)溫精度±0.5℃（25℃）。

2 引腳說明及接口電路

（1）典型應(yīng)用電路

SHT10典型應(yīng)用電路如圖1所示。

（2）電源引腳（VDD、GND）

SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個(gè)100nF的電容器，用于去耦濾波。

（3）串行接口

SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號(hào)讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容I2C總線。

①串行時(shí)鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時(shí)鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒有最小時(shí)鐘頻率。

②串行數(shù)據(jù)（DATA）。DATA引腳是1個(gè)三態(tài)門，用于MCU與SHT10之間的數(shù)據(jù)傳輸。DATA的狀態(tài)在串行時(shí)鐘SCK的下降沿之后發(fā)生改變，在SCK的上升沿有效。在數(shù)據(jù)傳輸期間，當(dāng)SCK為高電平時(shí)，DATA數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定狀態(tài)。

為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，MCU應(yīng)該驅(qū)動(dòng)DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個(gè)上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。

3 命令與時(shí)序

（1）SHT10命令

SHT10命令如表1所列。

（2）命令時(shí)序

發(fā)送一組“傳輸啟動(dòng)”序列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化，如圖2所示。其時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)SCK為高電平時(shí)DT翻轉(zhuǎn)保持低電平，緊接著SCK產(chǎn)生1個(gè)發(fā)脈沖，隨后在SCK為高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)保持高電平。

緊接著的命令包括3個(gè)地址位（僅支持“000”）和5個(gè)命令位。SHT10指示正確接收命令的時(shí)序?yàn)椋涸诘?個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后將DATA拉為低電平（ACK位）,在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后釋放DATA（此時(shí)為高電平）。

（3）測(cè)量時(shí)序（RH和T）

“000 00101”為相對(duì)濕度（RH）量，“000 00101”為溫度（θ）測(cè)量。發(fā)送一組測(cè)量命令后控制器要等待測(cè)量結(jié)束，這個(gè)過程大約需要20/80/320ms對(duì)應(yīng)其8/12/14位的測(cè)量。測(cè)量時(shí)間隨內(nèi)部晶振的速度而變化，最多能夠縮短30%。SHT10下拉DATA至低電平而使其進(jìn)入空閑模式。重新啟動(dòng)SCK時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)之前，控制器必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號(hào)。

接下來傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)。MCU必須通過拉低DATA來確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都從MSB開始，至LSB有效。例如對(duì)于12位數(shù)據(jù)，第5個(gè)SCK時(shí)鐘時(shí)的數(shù)值作為MSB位；而對(duì)于8位數(shù)據(jù)，第1個(gè)字節(jié)（高8位）數(shù)據(jù)無意義。

確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位之后，通信結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗(yàn)，控制器可以在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB位之后，通過保持ACK位為高電平來結(jié)束本次通信。
測(cè)量和通信結(jié)束后，SHT10自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)模式。

（4）復(fù)位時(shí)序

如果與SHT10的通信發(fā)生中斷，可以通過隨后的信號(hào)序列來復(fù)位串口，如圖3所示。保持DATA為高電平，觸發(fā)SCK時(shí)鐘9次或更多，接著在執(zhí)行下次命令之前必須發(fā)送一組“傳輸啟動(dòng)”序列。這些序列僅僅復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留。

（5）狀態(tài)寄存器讀寫時(shí)序

SHT10通過狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)設(shè)定。

讀狀態(tài)寄存器時(shí)序如圖4所示。

寫狀態(tài)寄存器時(shí)序如圖5所示。

4 幾點(diǎn)說明

①CRC-8校驗(yàn)。整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過程都由8位校驗(yàn)保證，確保任何錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)都能夠被檢測(cè)到并刪除^[1]。

②為保持自身發(fā)熱溫升小于0.1℃，SHTxx的激活時(shí)間不超過10%。如12位精度測(cè)量，每秒最多測(cè)量2次。

③轉(zhuǎn)換為物理量輸出相對(duì)濕度輸出轉(zhuǎn)換公式為：

其中，RH_linear為25℃時(shí)相對(duì)濕度的線性值，SORH為傳感
器輸出的相對(duì)濕度的數(shù)值,c₁，c₂,c₃為系數(shù)，如表3所列。

當(dāng)測(cè)量溫度與25℃相差較大時(shí)，則需要考慮傳感器的溫度系數(shù)：

其中，RH_true為溫度不等于25℃時(shí)相對(duì)濕度的實(shí)際值，θc為當(dāng)前溫度，t1、t2是系數(shù)，如表4所列。

溫度輸出轉(zhuǎn)換公式為：

其中，θ為實(shí)際溫度，SOθ為傳感器輸出的溫度數(shù)值，θ₁,θ₂為系數(shù)，如表5、表6所列。

由于濕度與溫度經(jīng)由同一塊芯片測(cè)量而得，因此SHT10可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的露點(diǎn)測(cè)量。具體算法可參閱參考文獻(xiàn)^[2]，這里不再詳述。