高精度溫濕度傳感器SHT2x的數據采集系統的設計

摘要：介紹了基于STC11系列單片機和Sensirion公司新一代高精度溫濕度傳感器SHT2x的溫濕度數據采集系統的設計。SHT2x完全標定，具有精度高、功耗低、穩定度好、體積小和數字輸出等特點，非常適合于在便攜和移動設備中對溫度和濕度進行監控。

引言

新一代Sensirion溫濕度傳感器SHT2x，采用適于回流焊的雙列扁平無引腳DFN無鉛封裝，底面3 mm×3 mm，高度1.1 mm，具有超小型的體積，特別適合移動測量設備。傳感器輸出經過標定的數字信號，是標準的 I2C總線格式。SHT2x配有一個全新設計的4C代CMOSens芯片、一個經過改進的電容式濕度傳感元件和一個標準的能隙溫度傳感元件，內置放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元，能同時檢測溫度和濕度。SHT2x的性能和可靠性，特別是在高濕環境下的穩定性，相對于前一代傳感器SHT1x和SHT7x有很大提升，而數據傳輸操作更為簡單。每一個傳感器都經過校準和測試，在芯片內存儲了電子識別碼，可以通過輸入命令讀出這些識別碼。此外，SHT2x的分辨率可以通過輸入命令進行改變，傳感器可以檢測到電池低電量狀態，有極低功耗的節能模式，具有優異的長期穩定性。SHT2x系列中最高精度的SHT25的相對濕度測量精度達到1.8%，溫度測量精度為0.2。

1 接口和通信協議

1.1 芯片引腳、信號和時序說明

SHT2x使用了6引腳封裝中的4個引腳，分別是電源VDD、地VSS、雙向串行時鐘SCL和雙向串行數據SDA。SHT2x供電范圍為2.1~3.6 V，推薦電壓為3.0 V。SCK用于微處理器與SHT1x之間的通信同步。

圖1 數字輸入/輸出端的時序圖

SDA引腳用于傳感器的數據輸入和輸出。當向傳感器發送命令時，SDA在串行時鐘SCL的上升沿有效，且當 SCL為高電平時，SDA必須保持穩定。在SCL下降沿之后，SDA值可被改變。為確保通信安全，SDA的有效時間在SCL上升沿之前和下降沿之后應該分別延長至tSU和tHD，數字輸入/輸出端時序如圖1所示。當從傳感器讀取數據時, SDA在SCL變低以后有效tVD時長，且維持到下一個SCL的下降沿。圖1中的縮略語在表1中解釋。圖1中DATA OUT SDA由傳感器控制，DATA IN SDA由MCU控制。SDA有效讀取時間由前一個轉換的下降沿觸發。

表1 I2C總線快速模式數字輸入/輸出端的時序特性

1.2 通信協議

SHT2x采用標準的I2C總線協議進行通信，所有傳感器都被設置為相同的7位I2C總線地址1000 000。

1.2.1 傳感器的啟動與停止時序

上電后，傳感器需要15 ms時間以達到空閑狀態，即準備接收由主機(MCU)發送的命令，此時SCL為高電平。每個傳輸序列都以啟動傳輸狀態(S)作為開始，并以停止傳輸狀態(P)作為結束。圖2是啟動傳輸狀態的時序圖。

圖2 啟動傳輸狀態時序圖

當SCL為高電平時，SDA由高電平轉換為低電平。開始狀態是由主機控制的一種特殊的總線狀態，指示從機傳輸開始，啟動之后，總線處于占線狀態。圖3是停止傳輸狀態的時序圖。

圖3 停止傳輸狀態時序圖

當SCL高電平時， SDA由低電平轉換為高電平。停止狀態是由主機控制的一種特殊的總線狀態，指示從機傳輸結束，停止之后，總線處于閑置狀態。

1.2.2 發送命令和接收數據

在啟動傳輸后，隨后傳輸的首字節包括7位的I2C總線設備地址和一個SDA方向位，讀為“1”，寫為“0”。在第8個SCL時鐘下降沿之后，通過拉低SDA引腳(ACK位)，指示傳感器數據接收正常。在發出測量命令之后主機必須等待測量完成?；镜拿钤诒?中進行說明，有兩種不同的方式可選——主機模式或非主機模式。

表2 基本命令集

MC與傳感器之間的通信有兩種不同的工作模式：主機模式和非主機模式。在主機模式下，在測量的過程中，SCL線被封鎖(由傳感器進行控制);在非主機模式下，當傳感器在執行測量任務時，SCL線仍然保持開放狀態，可進行其他通信。非主機模式允許傳感器進行測量時在總線上處理其他I2C總線通信任務。本文只涉及主機模式，其時序如圖4所示。

圖4 主機通信模式時序

在主機模式下測量時，SHT2x將SCL拉低，強制主機進入等待狀態。通過釋放SCL線，表示傳感器內部處理工作結束，進而可以繼續數據傳送。

圖4中灰色部分由SHT2x控制。如果要省略校驗和(CRC)傳輸，可將第45位改為NACK，之后接一個傳輸停止時序。

由于測量的最大分辨率為14位，第2個字節SDA上的后兩位LSB，即第43和44位用來傳輸相關的狀態信息，第43位表示測量的類型，“0”表示測量溫度，“1”表示測量濕度，第0位當前沒有使用。

在圖4中，傳感器輸出為0110 0011 0101 0010。在進行物理換算時，后兩位狀態位應置0。

所需最長測量時間取決于測量類型和分辨率，最高分辨率14位的測量時間最大值為85 ms，測量時間的最大值由MCU控制。