新型温湿度传感器SHT10的原理及应用

引言

随着社会的不断发展前进，人们进入了数字化信息时代，对生活质量的要求越来越高。汽车、空调、除湿器、烘干机等都已家喻户晓，它们都离不开对温度、湿度等环境因素的要求。

瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术(CMOSens technology)，确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位 A／D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。

1 SHTl0的特点

SHTlO的主要特点如下：

◆相对湿度和温度的测量兼有露点输出；
◆全部校准，数字输出；
◆接口简单(2-wire)，响应速度快；
◆超低功耗，自动休眠；
◆出色的长期稳定性；
◆ 超小体积(表面贴装)；
◆测湿精度±4．5％RH，测温精度±O．5℃(25℃)。

2 引脚说明及接口电路

(1) 典型应用电路

SHTl0典型应用电路如图1所示。



(2)电源引脚(VDD、GND)

SHTl0的供电电压为 2．4～5．5 V。传感器上电后，要等待1l ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚(VDD和GND)之间可增加1个100 nF的电容器，用于去耦滤波。

(3)串行接口

SHTlO的两线串行接口(bidirectional 2-wire)在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。

①串行时钟输入(SCK)。 SCK引脚是MCU与sHT10之间通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。

②串行数据(DATA)。 DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。

为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。

3 命令与时序

(1)SHT10命令

SHT1O命令如表1所列。



(2)命令时序

发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图2所示。其时序为：当SCK为高电平时DATA翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。



紧接着的命令包括3个地址位(仅支持"000’)和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为：在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平(ACK位)，在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA(此时为高电平)。

(3) 测量时序(RH和T)

“000 00101”为相对湿度(RH)测量，“000 000ll”为温度(θ)测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20／80／320 ms，对应其8／12／14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短30％。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。

接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节(高8位)数据无意义。

确认cRc数据位之后，通信结束。如果不使用(2RC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。

测量和通信结束后，SHTlO自动进入休眠状态模式。

(4)复位时序

如果与sHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图3所示。保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。



(5)状态寄存器读写时序

SHT10通过状态寄存器实现初始状态设定。

读状态寄存器时序如图4所示。



写状态寄存器时序如图5所示。



状态寄存器位如表2所列。



4 几点说明

①CRC-8校验。整个数据的传输过程都由8位校验保证，确保任何错误的数据都能够被检测到并删除[1]。

②为保持自身发热温升小于O．1℃，SHTxx的激活时间不超过10％。如12位精度测量，每秒最多测量2次。

③转换为物理量输出。相对湿度输出转换公式为：



其中，RHlinear为25℃时相对湿度的线性值，sORH为传感器输出的相对湿度的数值，C1，C2，C3为系数，如表3所列。

当测量温度与25℃相差较大时，则需要考虑传感器的温度系数：



其中，RHlinear为温度不等于25℃时相对湿度的实际值，θc为当前温度，t1、t2是系数，如表4所列。





由于湿度与温度经由同一块芯片测量而得，因此SHT10可以同时实现高质量的露点测量。具体算法可参阅参考文献[2]，这里不再详述。