溫濕度傳感器SHT15及其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用、環(huán)境評(píng)價(jià)、工業(yè)計(jì)量、工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)通信與軟件等多領(lǐng)域的問題。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說是非常重要的。傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都要涉及信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)(CMOSens)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，有130個(gè)多功能輸入／輸出端口，所以在設(shè)計(jì)時(shí)直接利用S3C2440A的通用I／O口來模擬通信時(shí)序控制SHT15，整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡單。

1 SHT15簡介
1．1 SHT15性能特點(diǎn)
SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)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(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個(gè)芯片上；
2)提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗(yàn)；
3)測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器；
4)提供溫度補(bǔ)償和濕度測量值以及高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)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(shù)
SHT15的性能參數(shù)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(yīng)時(shí)間：8 s(tau63％)；6)可完全浸沒。
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(shè)計(jì)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足要求。
1．3 SHT15內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
數(shù)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(dá)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(shù)據(jù)線，引腳3為時(shí)鐘線，引腳5～8為空管腳。

數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15將溫度感測、濕度感測、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入1個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT15在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中，在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。此外，SHT15內(nèi)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(yàn)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(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)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(shè)計(jì)
微處理器可通過二線串行數(shù)字接口與SHT15進(jìn)行通信，由于其通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議不兼容，所以在設(shè)計(jì)時(shí)直接利用S3C2440A的通用I／O口來模擬通信時(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(yīng)引腳功能圖如表1所示。

設(shè)計(jì)中利用S3C2440A的GPG9模擬時(shí)鐘信號(hào)，GPG10來模擬數(shù)據(jù)信號(hào)(數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻)，硬件連接圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
在程序開始，控制器S3C2440A需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：?dāng)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著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(zhuǎn)為高電平。接著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(zhuǎn)為高電平。