【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 方面往往不盡人意。為解決這些問(wèn)題，瑞士Sensirion 公司推出了新一代基于CMOSensTM技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器。它很好地解決了溫濕度傳感器存在的上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換功能[3]。 數(shù)字溫濕度傳感器SHT11數(shù)字溫濕度傳感器SHT—11采用COMSens專利傳感器技術(shù)將溫度濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)（其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖31所示）[4]。圖31 數(shù)字溫濕度傳感器SHT—11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可看出SHT11具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層組成了傳感器芯片的電容,這樣除保持了電容式濕敏器件的原有特性外還可抵御來(lái)自其它方面的影響。將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體,這就使得測(cè)量精度提高并且可以精確得出露點(diǎn),而不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。而且將傳感器元件、信號(hào)放大器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、OTP 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I2C 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行總線等，電路功能部件全部采用CMOS 技術(shù)與溫濕度傳感器一起放置在一個(gè)芯片內(nèi)。這不僅使信號(hào)強(qiáng)度增加,更重要的是長(zhǎng)期穩(wěn)定性也得到增強(qiáng),這對(duì)傳感器系統(tǒng)是極為重要的。同時(shí),模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換也在一個(gè)芯片內(nèi)同時(shí)完成,這可使信號(hào)對(duì)噪聲不敏感,尤其重要的是,在傳感器芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)裝載的針對(duì)每一只傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只傳感器都有相同的功能,可以實(shí)現(xiàn)100%的互換。此外,。該傳感器還具有I2C 二線串行總線接口,這可使傳感器方便的與任何類型的微處理器、微控制器接口相連,為溫濕度的微機(jī)化測(cè)試帶來(lái)極大的方便,這不僅能減少溫濕度測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間,還可節(jié)約數(shù)字化接口的軟硬件成本。該傳感器還有反應(yīng)迅速、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。 SHT11的傳感器輸出SHT11的相對(duì)濕度絕對(duì)精度、溫度精度和25℃露點(diǎn)精度如圖32(a)～(c)所示[4]。（a）濕度絕對(duì)精度（b）溫度精度（C）25℃露點(diǎn)精度圖32 相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)的精度曲線 濕度值輸出SHT11可通過(guò)I2C 總線直接輸出數(shù)字量濕度值,其相對(duì)濕度輸出特性曲線如圖32所示。從中可以看出,SHT11 的輸出特性呈一定的非線性,為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù),可按式（31）修正濕度值:= 式中,SORH 表示傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值,系數(shù)取值分別如下:12位時(shí)：；8位時(shí)： 。 溫度值輸出SHT11溫度傳感器的線性非常好,可用下列公式（32）將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值T : 式中，表示傳感器溫度測(cè)量值。當(dāng)電源電壓為5V，溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，；當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)。圖33 相對(duì)濕度輸出特性曲線 露點(diǎn)計(jì)算空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值由下面公式計(jì)算： 式中，——飽和水蒸氣壓強(qiáng)（mmHg） 非線性校正及溫度補(bǔ)償 式（31）為相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償計(jì)算公式,對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言,計(jì)算量大而過(guò)復(fù)雜,下面給出簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。（1）線性　當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)量精度要求不高時(shí),可采用以下的線性計(jì)算公式。 式中。（2）2線性 當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)量精度要求較高時(shí),可采用以下的2線性計(jì)算公式,即用最小的計(jì)算復(fù)雜性來(lái)提高精確度。 式中，為8位濕度傳感器輸出濕度值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)。（3）溫度補(bǔ)償 上述濕度計(jì)算公式是按環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行計(jì)算的,而實(shí)際的測(cè)量溫度值則在一定的范圍內(nèi)變化,所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù),可按式對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 當(dāng)為12位時(shí)，；當(dāng)為8位時(shí)。 SHT11的特性 SHT11的特點(diǎn)SHT11傳感器的特點(diǎn)如下:1）相對(duì)濕度和溫度一體測(cè)量；2）精確露點(diǎn)測(cè)量；3）全量程標(biāo)定，無(wú)需重新標(biāo)定即可互換使用；4）超快響應(yīng)時(shí)間；5）兩線制數(shù)字接口（最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成，較低的價(jià)格）；6）超小尺寸（5）；7）高可靠性（工業(yè)CMOS工業(yè)）；8）優(yōu)化的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；9）可完全浸沒(méi)水中；10）基于請(qǐng)求式測(cè)量，因此低能耗；11）具有濕度傳感器元件的自檢測(cè)能力；12）傳感器元件加熱應(yīng)用，亦可獲得極高的精度和穩(wěn)定性。 SHT的詳細(xì)規(guī)格（RH）的性能參數(shù)如下：范圍：0—100%RH；精度：177。3%RH（20—80%RH）；響應(yīng)時(shí)間：≤4s；復(fù)現(xiàn)性：177。%RH；分辨率：%RH；工作溫度：－40℃—＋120℃。（T）的性能參數(shù)如下：范圍：－40℃—＋120℃；精度：177。℃（在25℃時(shí)），177?！妫ㄔ?—40℃時(shí)）；響應(yīng)時(shí)間：≤20s；復(fù)現(xiàn)性：177?！?；分辨率：℃。能耗：典型 30uW（@5V，12bit，測(cè)量周期2秒） 典型 1uW（@,8bit，測(cè)量周期2分）；供電范圍：—；檢測(cè)電流：；待機(jī)電流：。 SHT11的引腳SHT11的引腳圖如圖34所示。圖34 SHT11的引腳圖引腳簡(jiǎn)介引腳1—GND接地端；～，傳感器上電后要等待11ms以越過(guò)“休眠”狀態(tài)。在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令，電源引腳（VDD,GND）之間可增加一個(gè)100uF的電容，用以去耦濾波。引腳2—DATA雙向串行數(shù)據(jù)線；SHT11的串行接口，在傳感器的讀取及電源損耗方面都做了優(yōu)化處理。DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。引腳3—SCK串行時(shí)鐘輸入；用于微處理器與SHT11之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。引腳4—VDD電源端，—引腳5—8—NC空管腳 SHT11的的內(nèi)部命令與接口時(shí)序 SHT11的內(nèi)部命令SHT11 傳感器共有5 條用戶命令,具體命令格式見(jiàn)表31。在程序編程時(shí)根據(jù)命令編號(hào)來(lái)設(shè)定SHT11的工作狀態(tài)。例如：0x03設(shè)置SHT11為溫度測(cè)量，0x05是設(shè)置SHT11為濕度測(cè)量[5]。表31 SHT11傳感器命令列表命令編號(hào)說(shuō)明測(cè)量溫度00011溫度測(cè)量測(cè)量濕度00101濕度測(cè)量讀寄存器00111“讀”狀態(tài)寄存器寫寄存器00110“寫”狀態(tài)寄存器軟啟動(dòng)11110重啟芯片,清除狀態(tài)記錄器的錯(cuò)誤記錄11 毫秒后進(jìn)入下一個(gè)命令 SHT11的命令順序及命令時(shí)序1) 傳輸開(kāi)始初始化傳輸時(shí),應(yīng)發(fā)出“傳輸開(kāi)始”命令,具體為SCK是高電平時(shí),DATA 高電平變?yōu)榈碗娖?并在下一個(gè)SCK為高時(shí)將DATA 升高。接著傳輸開(kāi)始下一個(gè)命令，包含3個(gè)地址位(目前只支持“000”) 和5 個(gè)命令位,通過(guò)DATA 腳的ack 位處于低電位表示SHT11正確收到命令。2) 連接復(fù)位順序如果與SHT11傳感器的通訊中斷,下列信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位:當(dāng)使DATA線處于高電平時(shí),觸發(fā)SCK9 次以上(含9 次) ,并發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開(kāi)始”命令。3) 溫濕度測(cè)量時(shí)序當(dāng)發(fā)出了溫(濕) 度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成后才開(kāi)始動(dòng)作。使用8/ 12/ 14 位的分辨率測(cè)量分別需要大約11/ 55/ 210 ms。為表明測(cè)量完成，SHT11會(huì)使DATA為低電平,此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK，然后SHT11傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和到控制器，控制器必須通過(guò)使DATA為低來(lái)確認(rèn)每一字節(jié)，通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒(méi)有用CRC28校驗(yàn)和,則控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后，保持ack為高時(shí)停止通訊,SHT11在測(cè)量和通訊完成之后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。需要注意的是，℃，則此時(shí)工作頻率不能大15%(如:12 位精確度時(shí),每秒最多進(jìn)行3 次測(cè)量)。測(cè)量溫度和測(cè)量濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖34所示。圖34 測(cè)量溫濕度時(shí)序圖4) 加熱控制將傳感器芯片中的加熱開(kāi)關(guān)接通，傳感器溫度大約增加5 ℃，加熱用途如下:其一，通過(guò)對(duì)啟動(dòng)加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比較，可以正確地區(qū)別傳感器的功能；其二，在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過(guò)加熱來(lái)避免冷凝。5) 低電壓檢測(cè)，準(zhǔn)確度為177。 SHT11的狀態(tài)寄存器SHT11的狀態(tài)寄存器的類型及其說(shuō)明見(jiàn)表32。表32 SHT11狀態(tài)寄存器及說(shuō)明位類型說(shuō)明缺省說(shuō)明7保留06讀工檢限X5保留04保留0續(xù)表位類型說(shuō)明缺省說(shuō)明3只用于試驗(yàn)，不可以使用02讀/寫加熱0關(guān)1讀/寫不從OTP重下載0重下載0讀/寫‘1’—8位相對(duì)濕度，12位溫度分辨率；‘0’—12位相對(duì)濕度，14位溫分辨率012位相對(duì)濕度，14溫度 硬件接口 DS1302與單片機(jī)連接SHT11與單片機(jī)接口構(gòu)成的溫濕度測(cè)量電路,如圖35所示 。因SHT11內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口等，在與單片機(jī)連接時(shí)就不需要再外接轉(zhuǎn)換部件[6]。圖35 SHT11與單片機(jī)接口 恢復(fù)處理置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，經(jīng)過(guò)在80～90℃（176～194F）和＜5％RH的濕度條件下保持24小時(shí)（烘干），隨后在20～30℃（70～90F）和＞74％RH的濕度條件下保持48小時(shí)以上（重新水和）的處理后可使其恢復(fù)到剛校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)[7]。通過(guò)上面的論述可見(jiàn)SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器完全符合對(duì)土壤溫濕度檢測(cè)的要求。 SHT11的相關(guān)程序⑴ SHT11端口定義sbit SHT11_DATA=P2^6。sbit SHT11_SCK=P2^5。uchar flag_tempeture=0。 //顯示溫度位置的標(biāo)志uchar flag_humidity=0。 //顯示濕度位置的標(biāo)志//uchar dat。uint i,temp1,temp2,dat=0,count。float tempeture1。float RHline,RHtrue。void delay(uint m){while(m)。}⑵ SHT11內(nèi)部延時(shí)void Delay(){ 。 。}⑶ SHT11檢測(cè)等待延時(shí):11ms/55ms/210ms 分別對(duì)應(yīng)8位/12位/14位 測(cè)量結(jié)果，對(duì)應(yīng)的形參為N 則延時(shí)Nmsvoid Delay_Ms(uint ms){ uint i,j。 for(i=ms。i0。i) for(j=112。j0。j)。}⑷ SHT11啟動(dòng)時(shí)序void SHT11_Start(){ SHT11_SCK=1。 SHT11_DATA=1。 Delay()。 SHT11_DATA=0。 Delay()。 SHT11_SCK=0。 Delay()。 SHT11_SCK=1。 Delay()。 SHT11_DATA=1。}⑸ 向SHT11發(fā)送8bite數(shù)據(jù)void SHT11_Sendbyte(uchar dat){ uchar i。 SHT11_SCK=0。 Delay()。 for(i=0。i8。i++) { if(datamp。0x80) { SHT11_DATA=1。 Delay()。 } else { SHT11_DATA=0。 Delay()。 } dat=dat1。 SHT11_SCK=1。 Delay()。 SHT11_SCK=0。 }}⑹ 檢測(cè)SHT11的響應(yīng)信號(hào)(在第九個(gè)時(shí)鐘周期)void SHT11_Answer(){ SHT11_SCK=1。 Delay()。 while(SHT11_DATA==1)。 SHT11_SCK=0。 SHT11_DATA=1。}⑺ 檢測(cè)SHT11溫濕度檢測(cè)是否完畢void SHT11_Test_Finish(){ while(SHT11_DATA==1)。}⑻ “寫”程序：向SHT11的狀態(tài)寄存器設(shè)置功能，mand為REG_WRITE 0x06寫寄存器，dat為設(shè)置SHT11的功能，可以設(shè)置檢測(cè)的數(shù)據(jù)位數(shù)void SHT11_Write_Register(uchar mand ,uchar dat){ SHT11_Start()。 SHT11_Sendbyte(mand)。 SHT11_Answer()。 SHT11_Sendbyte(dat)。 SHT11_Answer()。}⑼ “讀”程序：ommand為REG_READ 0x07//讀寄存器，返回值為狀態(tài)寄存器的值。位6顯示當(dāng)前檢測(cè)完一次數(shù)據(jù)后電源供電情況：當(dāng)位6為0時(shí)表明VDD 當(dāng)位6為1時(shí)表明VDD。位0表明當(dāng)前的測(cè)量分辨率：當(dāng)位0為1時(shí)表明測(cè)量精度：8位/濕度 12位溫度，當(dāng)位0為0時(shí)表明測(cè)量精度：12位濕度 14位溫度 ，默認(rèn)為0uchar SHT11_Read_Register(uchar mand){ uchar dat。 SHT11_Start()。 SHT11_Sendbyte(mand)。 SHT11_Answer()。 dat=SHT11_Receivebyte()。 SHT11_End()。 return(dat)。}⑽ 設(shè)置SHT11檢測(cè)功能,并返回相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果:mand形參用于設(shè)定溫度檢測(cè)還是濕度檢測(cè),time形參用于設(shè)定檢測(cè)過(guò)程中的等待時(shí)間，以確定檢測(cè)結(jié)果的位數(shù)11ms/55ms/210ms 分別對(duì)應(yīng)8位/12位/14位 uint SHT11_Measure(uchar mand,uchar time){ uint dat=0。 uchar data_high,data_