数字式温湿度传感器SHT11在51单片机系统的应用

１　概述

温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。ＳＨＴ１１是瑞士Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ公司推出的基于ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术的新型温湿度传感器。该传感器将ＣＭＯＳ芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

２　性能特点

ＳＨＴ１１温湿度传感器的主要特性如下：

●将温湿度传感器、信号放大调理、Ａ／Ｄ转换、Ｉ２Ｃ总线接口全部集成于一芯片（ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术）；

●可给出全校准相对湿度及温度值输出；

●带有工业标准的Ｉ２Ｃ总线数字输出接口；

●具有露点值计算输出功能；

●具有卓越的长期稳定性；

●湿度值输出分辨率为１４位，温度值输出分辨率为１２位，并可编程为１２位和８位；

●小体积（７．６５×５．０８×２３．５ｍｍ），可表面贴装；

●具有可靠的ＣＲＣ数据传输校验功能；

●片内装载的校准系数可保证１００％互换性;

●电源电压范围为２．４～５．５Ｖ;

●电流消耗,测量时为５５０μＡ，平均为２８μＡ，休眠时为３μＡ。

ＳＨＴ１１温湿度传感器采用ＳＭＤ(ＬＣＣ)表面贴片封装形式，管脚排列如图１所示，其引脚说明如下：

(１)ＧＮＤ：接地端；

(２)ＤＡＴＡ：双向串行数据线；

(３)ＳＣＫ：串行时钟输入；

(４)ＶＤＤ电源端：０．４～５．５Ｖ电源端；

（５～８）ＮＣ：空管脚。

３　工作原理

ＳＨＴ１１的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准Ｉ２Ｃ总线等电路全部集成在一个芯片内。ＳＨＴ１１传感器的内部结构框图如图２所示。

ＳＨＴ１１的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。ＳＨＴ１１传感器的校准系数预先存在ＯＴＰ内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个１４位的Ａ／Ｄ转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线Ｉ２Ｃ总线器件，从而将数字信号转换为符合Ｉ２Ｃ总线协议的串行数字信号。

由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而Ａ／Ｄ转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有１００％的互换性。最后，传感器可直接通过Ｉ２Ｃ总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。

３．１ 输出特性

（１）湿度值输出

ＳＨＴ１１可通过Ｉ２Ｃ总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图３所示。由图３可看出，ＳＨＴ１１的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：

ＲＨｌｉｎｅａｒ＝ｃ１＋ｃ２ＳＯＲＨ＋ｃ３ＳＯＲＨ２

式中，ＳＯＲＨ为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：

１２位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．０４０５，ｃ３＝－２．８×１０－６

８位：ＳＯＲＨ：ｃ１＝－４，ｃ２＝０．６４８，ｃ３＝－７．２×１０－４

（２）温度值输出

由于ＳＨＴ１１温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：

Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯＴ

当电源电压为５Ｖ，且温度传感器的分辨率为１４位时，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０１，当温度传感器的分辨率为１２位时，ｄ１＝－４０?ｄ２＝０．０４。

（３）露点计算

空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下：

ＬｏｇＥＷ＝（０．６６０７７＋７．５Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）＋[ｌｏｇ１０（ＲＨ）－２]

Ｄｐ＝[（０．６６０７７－ｌｏｇＥＷ）×２３７．３]／（ｌｏｇＥＷ－８．１６０７７）

３．２ 命令与接口时序

ＳＨＴ１１传感器共有５条用户命令，具体命令格式见表１所列。下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。

表1 SHT11传感器命令列表