应用SHT1171智能传感器的温湿度测量.doc

电子版-2004 9月2224日 Sozopol ，宝格丽应用SHT11/71智能传感器的温湿度测量助理。Grisha Spasov教授，博士， Nikolay Kakanakov学士索非亚技术大学-科普罗夫迪夫分校，计算机系统技术系。Tzanko Djustabanov街25号。4000保加利亚普罗夫迪夫电话： + （ 359 32 ） 659 576 ; 659 724 。E-mail: gvstu-plovdiv.bg, gvspdigsys.bg关键词：温湿度检测，智能传感器，分布式自动控制 本文章讲述了智能传感器的优点并提出了一个和Sensirion相结合的SHT11/17温湿度传感器，这是一款对于检测环境参数的开发式嵌入式系统的理想传感器。 用一个使用这种传感器的实例应用来加强对SHT11/71在实际工作条件下的介绍。该应用是用于监测温湿度的分散式系统。它使用一个集成web服务器的微控制器，主要负责信息传输和传感器管理。该系统具有可实现性和可测试性。1.导言温度和相对湿度的监测和控制在工业，科学，医疗保健农业和控制技术的进程中具有重要应用。这两个环境参数相互制约，在许多应用中衡量温湿度的平衡性是至关重要的。利用现代技术将温度测量元件，湿度测量单元，放大器，模数转换器，数字接口，校准存储器和CRC算数逻辑结合在在一个体积非常小的单片机上是有可能的。使用此类只能传感器可以缩短开发时间和成本，ADC和放大器集成到传感器芯片使开发人员优化传感器内容的准确性和长期稳定。 除此之外，集成数字接口逻辑简化了传感器的连接和管理，这些优势可以降低整体上市时间，甚至价格。1,3在这篇文章中我们以来自Sensirion的SHT11/71智能传感器为例，展示其优点和测量程序。一个应用实例也可以展示说明其在真实条件下的工作。此应用具有现实性和可测试性。2.智能传感器SHT11/71SHT11/71是一种包含相对湿度温度多传感器模块的校准数字输出的单芯片，该设备包括一个电容聚合物敏感元件作为相对湿度和带隙温度传感器。两者都是无缝整合一个14位ADC和一个串行接口电路在同一个芯片上，这样可以具有高信号质量，快速相应时间和抗干扰能力（电磁兼容性）,每一个SHT11/71都是被独立校准的并且标定系数被编程到OTP存储器。2线串行接口和内部电压调节完成了简便快速的系统整合1。该SHT11/71如图所示。11。图一：传感器结构 结合温度和湿度感应元素在单一的单元使得露点得到精确测量，该露点因各单元之间的温度差不会产生错误。传感器周围信号的放大能够优化聚合物层，但并不是简单的加强信号而是利于长期的稳定。进行模数转换可以加强信号的抗干扰性，该芯片自身的校验功能也提高了其可靠性。下载到芯片存储单元的标定数据确保了湿度传感器也具有相同的规格，使它们之间实现完全可替换1。SHT11/71可以通过2线数字接口直接连接到任何一个微控制器。该接口可有效的进行传感器读取和能源消耗但是不能和12C接口兼容1。（见图2）图2：SHT11/71与uC连接2线主要用于传送串口时钟(SCK)和数据(DATA)。SCK负责微控制器和SHT11/71之间的同步通信。因为接口完全由静态逻辑组成所以没有最低频率。数据三态引脚用于传送数据进出模块，它在下降沿时发生跳变并且在SCK上升沿时有效。在传输中，当SCK是高电平时DATA线必须保持不变1。信号的两线传输过程中的一个例子如图31.图3：例，2线接口的信号3.温度和相对湿度的检测使用SHT11/71进行温湿度监测分两步。首先，必须向传感器发出监测命令并且通过数字接口取得数据。其次，必须将传感器的数据转换成确切的物理数据并且计算湿度数据的温度补偿1。3.1 发送命令与接收数据开始传送，一个“传输开始”序列必须发出。其过程为当SCK是高电平时DATA线是低电平，接着SCK给出一个低脉冲，当SCK再次为高电平时DATA再次升高。命令序列由三个地址位（只有.000.是目前支持的）和五个命令位组成。SHT11/71通过第八个SCK时钟的下降沿后的DATA的下拉引脚来指示命令的正确接收。在SCK时钟的第九个下降沿时，DATA线被释放（升为高电平）。传输两个字节的测量数据和一个字节的CRC校验和传输，|C必须通过DATA线的下拉引脚接收每一个字节，所有的计算结果都是首先是最高有效位经过无误的判断。常用命令为“取得温度”“取得湿度”“改变测量方法”“取状态寄存器值”1。CRC校验数据位受到后通信结束。如果CRC-8位值没有被使用，控制器可能会在监测数据最低有效位被应答高时而终止通信。当监测和传输结束后该设备自动进入睡眠状态。13.2转换输出到物理值为了弥补非线性的湿度敏感元件，并获得充分的准确性，建议用如下公式转换读出1，3：系数,和只依赖与检测方法，作为12位解决方法：= -4, = 0.0405, = -2.8*。作为8位解决方法：= -4, =0.648, = -7.2*.温度完全不同于25时湿度传感器被考虑进去时的温度系数1,3：，在和作为14位 作为8位带隙PTAT （正比于绝对温度）的温度传感器采用线性设计。使用下列公式将数字读数转换成温度。1,3:表一：温度转换系数由于湿度和温度都在同一测量芯片， SHT11/71采用露点测量。4.用于监测温度和湿度的分布式系统 在下面的图4中用于监测温湿度的分布式系统的功能方案是基于IPC 显示芯片的。图4：功能应用方案系统职能在四个主要模块中被区分，如下2,5： 互联网浏览器确保该系统有一个熟悉的用户界面。可视化的监控参数放在此处。 与集成的Web服务器相结合的CGI主要处理远程进程控制和动态HTML页面到客户端的转换。IPCChip的实时操作系统负责处理Web服务器任务，TCP/IP通信，当地外设，用户任务以及它们之间的互联。 在控制器上将自动运行用户应用程序和任务，这是对传感器的操作和SMS通信的管理。该系统的软件由许多模块组成，一个模块用于温湿度检测，一个用于和GSM的通信和SMS的发出，一个负责将来自与传感器的数据生成HTML文件。在每一次测量前，软件将重新检测传感器接口，在开始命令发出后控制器等待11ms，然后才能开始真正的检测。检测模块由两个相同部分组成，一个用于温度检测，另一个用于湿度检测。微控制器发出命令给传感器以取得数据，取得数据后C将其标准化并且存入操作系统内存。两个相同的部分被有序的执行，并多次合作。在这种周期的每两个循环之间，这个任务会睡眠大约一分钟，把处理器交给一些低优先级的任务（像FTP，Web，Telnet）控制器和传感器之间的通信是采用2线接口（数据和同步）基于实时操作系统的软件中断的AC库是专用于通信的，该库具有如下功能： shttransstart()开始传输； shtreset()重新启动传感器； shtinit()初始化传感器界面 shtsend()发送命令； shtrecv()接收传感器数据；这些功能用于控制传感器通过2线接口取得温度和湿度数据，这些数据被存入控制器的存储器中再通过非线性温度补偿公式进行转换。 为了取得测量结果，用户需要给Web服务器发出HTTP请求并且服务器发出HTML作为作为回应。CGI是一种连接Web服务器和控制器内部数据的设备，它运行任务时不使用来自客户端的数据而是使用来自测量模块的数据并且通过共享存储器模块进行数据转换。测量模块将这些数据写入存储器CGI则负责阅读和使用这些数据。这就形成了包含来自前次测量的温湿度值的HTML文件。由网络文件发出的作为伴随结果的集成网络服务器的答复信号的例子如图5图5：应用程序网络接口有一个小模块是为了平衡控制这些任务，该模块阅读来自控制器存储器的初始化数据，决定是否安装CGI程序，决定来自RTOS的信号灯亮灭并且释放未使用的内存终止不必要的任务。这一模块的其他任务就是通过对项目进行鉴定和授权来提高安全性2.5.结束语和未来工作结合温度和湿度传感单元与一身的智能传感器集成ADC，放大器和串行接口使测量系统更加容易。这些有点也会减少成品的开发时间，成本和体积。这些传感器的应用主要是分散式的测量和监测系统，如气象观测站，暖通空调系统，汽车温度控制以及许多其他项目。SHT11/71拥有三位地址线，这在目前的传感器不能由“ 000 ”改变。此地址可用于未来的应用，如在传感器网络和以在自动化和控制技术中为主要趋势的临时性传感器网络。6.参考文献1 /sensors/humidity/ SHT71数据表格和信息2 Spasov G., Kakanakov N。CGI-基于温湿度监测的分散式嵌入式系统，CompSysTech!04, 17-18 June 2004, Rousse, Bulgari3 /sensors/测量技术4 C IPCChip 信息和应用5 Djiev, S. 控制系统，自动化和信息中的通信网络，No.2, pp 13-17, 20