基于SHT10单片集成传感器温湿度检测模块设计

0引言
1 SHT10 传感器
温度和湿度参数是测控系统 中常见的被测 参 数。由于集成式传感器所具有的优点, 越来越多的 设计者采用集成式的传感器来取代传统的热敏电阻 或湿敏电容。若系统同时涉及到两个参数的检测, 此时使用两个独立的集成传感器, 既提高系统成本, 又增加系统设计的复杂性。对于此类系统设计, 希 望找到集温湿度敏感单元于一体的集成式传感器。 瑞士 SENSIRION 公司出品的 SH T 1X 系列传感器 正是这样的一种传 感器。文中以 SH T 10 为例, 介 绍该系列传感器的基本特性和外部接口时序要求, 详细讨论基于 SH T 10 的温湿度检测模块的软硬件 设计方案。
第 25 卷 第 6 期 2006 年 6 月
国外电子测量技术 F oreign Elect ronic Measurement T echnolog y
Vo l. 25, N o. 6 Jun. , 2006
应用天地
基于 SHT10 单片集成传感器温湿度检测模块设计
孙 环 滕召胜
( 湖南大学电 气与信息工程学院 长沙 410082)
微控制器用一组 启动传输 时序来发起一个通 信过程。它包括: 当 SCK 时钟高电平时 DAT A 翻 转为低电平。在 DAT A 为低电平 期间, SCK 变 为 低电平, 再翻转为高电平, 随后是在 SCK 时钟高电
在 启动传输 时序之后, 微控制器可以向 SH T 10 发送命令。命令字节包括高 3 位的地址位 ( 目前只支持 000) 和低 5 位的命令位。!00000101∀ 表示 相 对 湿 度 测 量, ! 00000011∀ 表 示 温 度 测 量。 SH T 10 的完整 命令集可以参 考文献 [ 1] 。SH T 10 通过在第 8 个 SCK 时钟的下降沿之后, 将 DAT A 拉低来指示正确接收到命令。在第 9 个 SCK 时钟 的下降沿之后, SH T 10 释放 DAT A 线。
Design of temperature and humidity measurement module based on SHT10 single chip integrated sensor
Sun H uan T eng Z haosheng
( Coll eg e of el ect ri cal and inf or mat ion e ngi neer ing H unan u ni v er sit y , Changsha 410082)
在 SCK 线重新启动之后, 2 个字节的测量数据 和 1 个字节的 CRC 校验将被传送。校验字节保证 任何通信错误都将被检测并且被清除掉。微控制器 需要通过 下拉 DAT A 为低 电平以确 认每个字 节。 所有的数据都是从最高位开始传输, 右对齐, 左边补 0。CRC 校验字节后的确认位表示通信结束。如果 不使用 CRC 校验位, 微控制器可以在测量数据的最 低位后通过保持确认位为高电平来终止通信。图 4 给出了测量的时序。
微控制器在 发布一组湿度或者温度 测量命令 后, 需要等 待测量的 结束。 SH T 10 通过将 DAT A 线拉低表示测量的 完成, 并且 自动进入空闲 状态。 在重新启动时钟线读取测量结果之前, 微控制器必 须等待这个测量结束信号出现在数据线上。在被读 取之前, 测量结果存储在 SH T 10 内部的存储器内, 这样使得微处理器可以继续执行其他任务, 在方便 的时候再来读取测量结果。
图 4 测量时序概览
2006 年第 6 期
孙 环 等: 基于 SH T 10 单片集成传感器温湿度检测模 块设计
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时序 。
图 5 通信复位时序
2 基于 SHT10 的温湿度检测模块设计
2. 1 温湿度检测模块的硬件电路设计 以 PIC16F 877A 微 控 制 器 为 核 心 的 基 于
SH T 10 温湿度采集模块的硬件电路图如图 6 所示。 SH T 10 具有两线制的串行通信接口, 只需要在数据 线上加一个上拉电阻即可与微控制器的引脚直接连 接。该系统还设计了一个 RS232 通信接口, 微控制 器利用 RS232 接口将采集到的数据传送至计 算机 显示和保存。微控制器 采用 4M H z 的晶振。图 6 所示是一个最基本的应用系统, 可以根据需要在此 基础上添加显示、控制等电路单元。 2. 2 SHT10 测量时序的软件实现
Abstract: T he temperat ure and humidit y are of t en referred param et ers in measur em ent and co nt ro l syst em . In order t o improv e ant i disturbance capability and reliabilit y o f the sy st em, it is necessary to use a single chip int egr at ed sensor for t em perat ure and humidit y det ect ion. T he SH T 10 is a sin g le chip relat iv e humidit y and t emper at ure mult i senso r comprising a calibrated dig ital output . T he perf ormance specif icat io ns and int erf ace t iming r equirement of SH T 10 are intro duced in this paper. T he hardw are and sof tw are design f or t he temperature and humidit y m easurement module based on SH T 10 are discussed in det ail. Keywords: SH T 10, t emperat ur e and hum idit y m easur em ent, sing le chip int egrat ed sensor.
微控制器在发布命令时需要使用写时序。写时
序包括向 SH T 10 写 8 个数据位, 然后在第 9 个时钟 周期, 读 取 SH T 10 的 应 答 位, 应 答 位 为 0, 表 示 SH T 10 正确接收到了一个字节, 也就是 8 个写时序 加 1 个读时序。SH T 10 读写数据的规则是: DAT A 在 SCK 时钟的下降沿之后改变状态, 并在 SCK 时 钟的上升沿有效。从微控制器向 SH T 10 写数据的 角度来看, 可以理解为上升沿将 触发 SH T 10 锁存 数据, 即微控制器在下降沿输出数据, 再给出上升沿 触发 SH T 10 锁存数据。下降沿和上升沿之间的时 间间隔需要满足 SH T 10 的数据建立时间 T SU ( 最小 值为 100ns) , 上升 沿之后 数据 也需要 保持一 段时 间, 这段时间用于满足 SH T 10 的数据保持时间 T HO ( 典型值为 10ns) 。写时序的 C 语言程序如下:
SH T 10 完整的测量时序由启动传输时序、发布 命令、等待测量完成、读回数据这 4 个部分组成。此 外, 如果微控制器与 SH T 10 的通信中断, 可以用复 位时序来复位 SH T 10 的串行接口。复位时序如图 5 所示。当 DAT A 保持高电平时, 触发 SCK 时钟 9 次或更多, 在下一个命令之前, 发送一个 启动传输
SH T 10 与微控制器的连接, 即为 SH T 10 的串
作者简介:
孙 环( 1981- ) , 女, 湖南大学电气院硕士研究生, 主要研究方向为自动测试系统。 滕召胜, 男, 博士后, 教 授, 博士生导师,Biblioteka Baidu主要研究方向为智能测控与自动化系统。
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国外电子测量技术
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平时 DAT A 翻转为高电平。如图 3 所示。
要使 SH T 10 响应微控制器的命令进行温湿度 测量, 微控制器必须使用 SH T 10 的 语言 ( 所要求 的时序) 来与其进行 对话 。
SH T 10 所约定的时序共有 4 种, 即 启动脉冲 时序 、读一个字节 、写一个字节 以及 通信复位 时序 。
对照时序图依次拉低或拉高数据线和时钟线即 可实现启动传输时序和通信复位时序。相对而言, 微控制器发布命令时使用的写时序和读回测量数据 的读时序较为复杂, 以下详细讨论这两种时序的软 件程序实现。
摘 要: 测控系统中经常涉及到温度和湿度参数的检测, 采用一体化集成的传感器对温湿度进行检 测有利于提高系统的抗干扰能力和可靠性。SH T 10 正是集温度和湿度检测于一体的单片集成传感 器。文中介绍 SH T 10 传感器的基本特性和外部接口的时序要求, 详细讨论以 SH T 10 为信息源的 温湿度模块的软硬件设计。 关键词: SH T 10 温湿度检测 单片集成传感器
串行数据( DA T A) : DA T A 三态引脚是内部的 数据 的输 出 和 外部 数 据 的输 入 引 脚。DAT A 在 SCK 时钟的下降沿之后改变状态, 并在 SCK 时钟 的上升沿有效。即微控制器可以在 SCK 的高电平 段读取有效数据。在微控制器向 SH T 10 传输数据 的过程中, 必须保证数据线在时钟线的高电平段内 稳定。为了避免信号冲突, 微控制器仅将数据线拉 低, 在需要输出高电平的时候, 微控制器将引脚置为 高阻态, 由外部的上拉电阻( 例如: 10k ) 将信号拉 至高电平。 1. 2 SHT10 的测量时序
int w rite_byt e( int val) { int i, error= 0; f or( i= 0x 80; i> 0; i= i> > 1)
{ if( i& val) out put _f loat( DAT A) ; else out put_low ( DA T A) ; / / 数据准备好 out put _bit ( SCK, 1) ; / / 上升沿锁存数据 out put _bit ( SCK, 0) ; / / 时钟线恢复为低电平 } out put _f loat( DAT A) ; / / M CU 释放数据线 out put _bit ( SCK, 1) ; error= input( DAT A) ; / / 读取应答信号 out put _bit ( SCK, 0) ; ret urn err or; } 写时序子程序的入口参数为待发送的数据, 返 回参数用于标识 SH T 10 是否正确接收到数据。由 于微控制器采用 4M H z 的晶振, 指令周期为 1 s, 能
图 6 SH T 10 的应用系统
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图 3 SH T 10 启动传输时序图
图 1 传感器原理框图
行接口电路与微控制器的连接。SH T 10 与微控制 器的接口连接图, 如图 2 所示。
图 2 接口连接图
串行时钟 输入 ( SCK ) : SCK 用 于微 控制器 与 SH T 10 之间的通信同步。由于接口包含了全静态 逻辑, 因而不存在最小的 SCK 频率限制。即微控制 器可以以任意慢的速度与 SH T 10 通信。
SH T 10 传感器包括一个电容性聚合体湿度敏 感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件, 并在 同一芯片上, 与 14 位的 A/ D 转换器以及串行接口 电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确 的湿度腔室中进行标定, 以镜面冷凝式湿度计为参 照。校准系数以程序形式 存储在 OT P 内存中, 在 校正的过程中使用。两线制的串行接口, 使外围系 统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗, 使其成为各类应用 的首选。其原 理框图如图 1 所 示。 1. 1 SHT10 与微控制器的连接