数字温湿度传感器的原理与应用

数字温湿度传感器的原理与应用

0采用数字动态补偿原理广泛应用于工农业生产、气候、环境保护等领域。传统的模拟式湿度传感器一般不仅要设计信号调理电路,还要经过复杂的校准和标定过程,其测量精度难以保证。SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器,可用来测量相对湿度、温度和露点等参数,具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合,为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。1sht11测量系统简介SHT11采用Sensirio公司专利的CMOSen®技术,将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一芯片内,体积仅与大火柴头相近,使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点,其内部结构框图如图1所示。SHT11传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位,通过状态寄存器可降至12位、8位。湿度测量范围是0~100%RH,对于12位的分辨率为0.03%RH,测温范围为-40℃~+123.8℃,对于14位的分辨率为0.01℃。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中进行标定,校准系数以程序形式储存在OTP内存中,在测量过程中可对相对湿度自动校准,使SHT11具有100%的互换性。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号,然后经过放大,分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错,最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器,再利用微控器完成非线性补偿和温度补偿。2sht11应用要点2.1睡眠模式测量过程由于采用二线串行接口,对于SHT11的操作按照严格时序,共有5条用户命令,分别是测量温度命令(03H)、测量湿度命令(05H)、读寄存器状态命令(07H)、写寄存器状态命令(06H)和软启动命令(1EH)。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态并仅在SCK时钟上升沿有效。SHT11上电后进入休眠模式,首先应发送一个“启动”时序,唤醒芯片,即在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平,并在下一个SCK为高时将DATA升高。微控器发出测量命令后就等待测量完成,为表明测量完成,SHT11将数据线拉成低电平。微控器重新启动SCK,SHT11就传送两字节的测量数据与一字节的CRC数据,传输数据的顺序是从最高位(MSB)到最低位(LSB)。微控器接收到每个字节后,必须将数据线拉成低电平,为每个字节产生应答信号ACK。CRC寄存器通过计算一个多项式(x8+x5+x4)之和来判定测量过程是否发生错误,一旦发现错误,微控器就发送软启动命令,重新进行测量。如果不使用CRC-8校验,微控器可以在测量值LSB后保持应答信号ACK高电平,来终止通信。SHT11在测量和通信完成后会自动返回睡眠模式。以测量相对湿度,测量值N=0000100100110001为例,整个测量过程时序如图2a、b、c所示。DATA为双向数据口,图2中粗线段表示由SHT11来控制数据线,常态下由微控器控制数据线。2.2t为-40+0.1mSHT11温度传感器的线性非常好,可用公式直接将温度读数M转换成实际温度值,当电源电压为5V,温度传感器为14位时,公式为:T=-40+0.01M。SHT11相对湿度输出特性呈一定的非线性,可用公式补偿相对湿度读数N的非线性,对于12位的湿度传感器的公式为:RHL=(-4+0.0405N-2.8×10-6N2)%,而且还需要对相对湿度传感器进行温度补偿,公式为:RHT=RH+(T-25)(0.01+0.00008N)%,从而得到最终的实际湿度值。3继电器驱动电路系统以AT89C51为主机,以SHT11作为测量温湿度的元件组成温湿度测控系统。Atmel公司的AT89C51是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储器技术制造,其最大特点是片内含有4k快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM),并且具有下载功能,方便了用户在开发过程中对程序的修改、调试。该系统硬件电路包括采样电路、键盘显示电路、看门狗电路和电器驱动电路,系统具体电路原理图如图3所示。AT89C51与SHT11连接进行采样时,只需用两条I/O口线分别作为数据线DATA和时钟线SCK,并在DATA端接入一只上拉电阻,同时在VDD及GND端接入一只去耦电容,通过相应的软件设计,即可完成数据的采集与传输。为了提高系统可靠性,由MAX813L组成“看门狗”电路,以防程序跑飞使系统失控。如果在1.6s内AT89C51不给WDI输入端发送触发信号,说明程序跑飞,MAX813L将发出复位信号,使系统复位重新运行。显示电路采用带有高速串行接口的8位LED控制驱动器MAX7219芯片实现,接口采用同步串行外设接口SPI,编程简单,而且节省I/O口。温度和湿度显示各用四位,通过改变接在ISET端口的电阻值大小可以调节显示亮度。为完成预定值的设置,该系统设有5个预设按键,分别为加1键、减1键、设定功能选择键、设定完成确定键和显示选择键。电器驱动电路控制的设备主要包括空调机、风机、吸湿机、加湿机等,可分别采用过零型固态继电器来控制工作。MC1413是一块七达林顿驱动集成电路,驱动电路简单,本系统最多可以用7个I/O口控制7个设备以满足不同需要。通过改变加热或加湿系统的工作状态,即可实现对测控系统的实时控制。继电器采用国产的交流固态继电器(AC-SSR)H220D15,其内部采用光电隔离方式,有效避免电磁干扰。当单片机检测到温度或湿度值超出预设范围时,P1.6和P1.7等I/O口输出控制信号触发继电器,启动电器工作,从而实现对相应设备的控制。设计时应注意各个电器不应同时启动以免冲击网,这部分工作可由软件延时完成。4系统工作程序微控制器AT89C51的程序是基于KEILC7.0开发平台采用C51语言编写,这样可以缩短开发周期,降低开发成本,使程序易于调试和维护,可靠性高,可读性和可移植性好。该系统采用模块化设计方法,主要包括以下几个模块:①主程序初始化:主要完成系统上电后清除“看门狗”输入,进行定时器和中断处理操作的初始化,包括关除T0外的所有中断、设定计数初值等,同时断开各电器设备的电源。另外,还要设定各个数据的存储单元地址。初始化完成后,系统将正常运行,并进行键盘扫描及温湿度的控制等操作;②键盘扫描子程序:提供人机信息交换接口,完成温湿度的上、下限值的设定与显示功能,并将四个值存入4个固定单元,温、湿度各占2个单元;③温湿度测量子程序:在该系统测控系统中,温湿度测量程序放在定时器T0的中断服务程序里,定时器T0为工作方式1(时间常数大),每次定时周期为50ms,软件计数20次,温湿度采样周期为1s。中断服务程序包含以下基本程序:“写”命令子程序、“读”数据子程序、数值计算子程序和显示子程序,最后将实际温度值和湿度值存储于2个固定单元中,温、湿度各占1个单元。系统的T0中断程序即温湿度测量程序流程图如图4所示;④温湿度控制子程序:AT89C51比较温湿度预设值和实际值的大小,产生各个电器设备的启停信号