畢業(yè)設(shè)計(jì)-----基于sht71的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn)(已修改)
2024-12-19 20:27 本頁(yè)面
【正文】 基于 SHT71的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn) 基于 SHT71 的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn) 1 緒論 選題背景 在 工業(yè)方面：芯片的封裝、設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、工廠(chǎng)的裝配環(huán)境無(wú)一離不開(kāi)溫濕度的測(cè)量。 溫濕度的測(cè)量在倉(cāng)庫(kù)管理、工業(yè)生產(chǎn)制造、智能化建筑、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定過(guò)程，測(cè)量精度難以得到保證，且線(xiàn)性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。 SHT71 是瑞士 Sensirion 公司推出的基于CMOSens 技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將 SMOS 芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái) ，發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。 自 60 年代以來(lái)信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。 在生活方面：在一定溫度條件下，空氣相對(duì)濕度越小，人體汗液蒸發(fā)越快，人的感覺(jué)越?jīng)隹?。北京地區(qū)冬季和春季白天一般濕度為 20％ 左 右，夜晚一般在 70％ 左右，由于冬春季節(jié)濕度太小，人們往往有不舒的感覺(jué)，有時(shí)還出現(xiàn)嘴唇干裂、鼻孔出血、喉頭燥癢等現(xiàn)象。可是，到了盛夏季節(jié)，空氣濕度達(dá)到 80％ 以上時(shí)，由于汗液蒸發(fā)緩慢，人們又會(huì)感覺(jué)酷暑難耐，有時(shí)還會(huì)中暑或引發(fā)腎病、結(jié)核病、關(guān)節(jié)炎等疾病。 目的和意義 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門(mén) ,經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中 ,濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球基于 SHT71的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn) 濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來(lái)測(cè)量濕度的方法 ,早已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比 測(cè)量溫度復(fù)雜的多 ,溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量 ,而濕度卻受其他因素 (大氣壓強(qiáng)、溫度 )的影響。 此外 ,濕度的校準(zhǔn)也是一個(gè)難題。國(guó)外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價(jià)格十分昂貴近年來(lái) ,國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展 ,為開(kāi)發(fā)新一代濕度 /溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件 ,也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平 。 由瑞士 Sensirion 推出的 SHTxx 系列數(shù)字溫濕度傳感器，基于領(lǐng)先世界的CMOSens 174。 數(shù)字傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。全量程標(biāo) 定，兩線(xiàn)數(shù)字接口，可與單片機(jī)直接相連，大大縮短研發(fā)時(shí)間、簡(jiǎn)化外圍電路并降低費(fèi)用。此外，體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒(méi)、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體，兼有露點(diǎn)測(cè)量，性?xún)r(jià)比高，使該產(chǎn)品能夠適于多種場(chǎng)合的應(yīng)用。 SHT71 是一種全新的基于智能傳感器設(shè)計(jì)理念的新型傳感器，該傳感器將溫度、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準(zhǔn)全部集成到一個(gè)高集成度、體積小的芯片當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了溫濕度傳感器的數(shù)字式輸出、且免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路。極大方便了溫濕度傳感器在嵌入式測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用，因而該傳感器在數(shù)字是溫濕度 測(cè)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)該傳感器也代表了傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。 發(fā)展現(xiàn)狀 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度 /溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。 集成濕度傳感器的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi) 目前，國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠(chǎng)家及典型產(chǎn)品分別為 Honeywell 公司（ HIH360 HIH360 HIH3610 型）， Humirel 公司（ HM1500、 HM15 HF322HTF3223 型）， Sensiron 公司（ SHT1 SHT15 型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類(lèi)型： 線(xiàn)性電壓輸出式集成濕度傳感器 基于 SHT71的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn) 典型產(chǎn)品有 HIH3605/36 HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。 線(xiàn)性頻率輸出集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品為 HF3223 型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在 55%RH 時(shí)的輸出頻率為 8750Hz（型 值），當(dāng)上對(duì)濕度從 10%變化到 95%時(shí)，輸出頻率就從 9560Hz 減小到 8030Hz。這種傳感器具有線(xiàn)性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品為 HTF3223 型。它除具有 HF3223 的功能以外，還增加了溫度信號(hào)輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（ NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也相應(yīng)改變并且從 NTC 端引出，配上二次儀表即可測(cè)量出溫度值。 單片智能化溫度 /溫度傳感器 2021 年 Sensiron 公司在世界上率先研制成 功 SHT1 SHT15 型智能化溫度 /溫度傳感器，其外形尺寸僅為 （ mm） 5(mm) （ mm），體積與火柴頭相近。出廠(chǎng)前，每只傳感器都在溫度室中做過(guò)精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在測(cè)量過(guò)程中可對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)溫度，還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量相對(duì)溫度的范圍是 0～ 100%，分辨力達(dá) %RH，最高精度為177。 2%RH。測(cè)量溫度的范圍是 40℃～ +℃，分辨力為 ℃。測(cè)量露點(diǎn)的精度 177。 1℃。在測(cè)量濕度、溫度時(shí) A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達(dá) 12 位、 14 位。利用降低分辨力的方法可以提高測(cè)量速率，減小芯片的功耗。 SHT11/15 的產(chǎn)品互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，不需要外部元件，適配各種單片機(jī)，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度 /濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 芯片內(nèi)部包含相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器（ E2PROM）、易失存儲(chǔ)器（ RAM）是、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC）寄存器、二線(xiàn)串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路。其測(cè)量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大，分別送至 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過(guò)二線(xiàn)串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μ C?；?SHT71的數(shù)字溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn) 鑒于 SHT11/15 輸出的相對(duì)濕度讀數(shù)值與被測(cè)相對(duì)濕度呈非線(xiàn)性關(guān)系，為獲得相對(duì)濕度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，必須利用μ C 對(duì)讀數(shù)值進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償。此外當(dāng)環(huán)境溫度 TA≠ +25℃時(shí)，還需要對(duì)相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 芯片內(nèi)部有一個(gè)加熱器。將狀態(tài)寄存器的第 2 位置“ 1”時(shí)該加熱器接通電源，可使傳感器的溫度大約升高 5℃，電源電流亦增加 8mA(采用 +5V 電源 )。使用加熱器可實(shí)現(xiàn)以下三種
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