溫濕度傳感器SHT15及其在嵌入式系統中的應用

氡及其子體的測量是一個(gè)涵蓋智能儀器、核輻射探測、核技術(shù)應用、環(huán)境評價(jià)、工業(yè)計量、工業(yè)自動(dòng)化、計算機通信與軟件等多領(lǐng)域的問(wèn)題。然而氡及其子體濃度受溫濕度的影響很大，因此溫濕度的測量對于測氡儀來(lái)說(shuō)是非常重要的。傳統的模擬式溫濕度傳感器一般都要涉及信號調理電路并需要經(jīng)過(guò)復雜的校準和標定過(guò)程，所以測量精度難以保證。由某公司生產(chǎn)的SHT15單芯片傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專(zhuān)利的工業(yè)COMS過(guò)程微加工技術(shù)(CMOSens)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。傳感器包括1個(gè)電容式聚合體測濕元件和1個(gè)能隙式測溫元件，并與1個(gè)14位的A／D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。系統采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內核，提供了一套完整的通用系統外設，有130個(gè)多功能輸入／輸出端口，所以在設計時(shí)直接利用S3C2440A的通用I／O口來(lái)模擬通信時(shí)序控制SHT15，整個(gè)電路設計簡(jiǎn)單。

1 SHT15簡(jiǎn)介
1．1 SHT15性能特點(diǎn)
SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車(chē)、消費電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)如下：
1)將溫濕度感測、信號變換、A／D轉換和I2C總線(xiàn)接口等功能集成到一個(gè)芯片上；
2)提供兩線(xiàn)數字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗；
3)測量精度可編程調節，內置A／D轉換器；
4)提供溫度補償和濕度測量值以及高質(zhì)量的露點(diǎn)計算功能；
5)由于采用了CMOSensTM技術(shù)，可浸入水中進(jìn)行測量。
1．2 SHT15性能參數
SHT15的性能參數如下：
1)濕度測量范圍：0～100％RH；2)溫度測量范圍：-40～+123．8℃；3)濕度測量精度：±2．0％RH；4)溫度測量精度：±0．3℃；5)響應時(shí)間：8 s(tau63％)；6)可完全浸沒(méi)。
由于該款溫濕度傳感器具有高精度，并能浸入水中測量等特點(diǎn)，而所設計的測氡儀要求具有測量土壤、大氣，水中氡濃度的功能，因此采用該款溫濕度傳感器完全滿(mǎn)足要求。
1．3 SHT15內部結構及工作原理
數字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD(LCC)表面貼片封裝形式，如圖1所示。其中引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2．4～5．5 VDC，為了達到傳感器的最高精確度，供電電壓為3．3 V為宜。引腳2為數據線(xiàn)，引腳3為時(shí)鐘線(xiàn)，引腳5～8為空管腳。

數字式溫濕度傳感器SHT15將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D轉換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內部結構如圖2所示。

該芯片包括1個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和1個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入1個(gè)14位的A／D轉換器，最后經(jīng)過(guò)二線(xiàn)串行數字接口輸出數字信號。SHT15在出廠(chǎng)前，都會(huì )在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準，校準系數存儲在校準寄存器中，在測量過(guò)程中，校準系數會(huì )自動(dòng)校準來(lái)自傳感器的信號。此外，SHT15內部還集成了1個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT15的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì )有所增加。此功能主要是為了比較加熱前后的溫度和濕度值?？梢跃C合驗證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(>95％RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時(shí)縮短響應時(shí)間，提高精度。加熱后SHT15溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會(huì )略有差異。

2 硬件設計
微處理器可通過(guò)二線(xiàn)串行數字接口與SHT15進(jìn)行通信，由于其通信協(xié)議與通用的I2C總線(xiàn)協(xié)議不兼容，所以在設計時(shí)直接利用S3C2440A的通用I／O口來(lái)模擬通信時(shí)序控制SHT15。S3C2440A有130個(gè)通用I／O口，共分為9組(GPAGPJ)，其中GPG包括16路I／O口。S3C2440A引腳采用289 -FBGA封裝，GPG9及GPG10對應引腳功能圖如表1所示。

設計中利用S3C2440A的GPG9模擬時(shí)鐘信號，GPG10來(lái)模擬數據信號(數據線(xiàn)需要外接上拉電阻)，硬件連接圖如圖3所示。

3 軟件設計
在程序開(kāi)始，控制器S3C2440A需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來(lái)表示數據傳輸的初始化。它包括：當SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉為低電平，緊接著(zhù)SCK變?yōu)榈碗娖降膯?dòng)，如圖4所示，隨后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉為高電平。接著(zhù)SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?，SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉為高電平。