環(huán)境溫、濕度及光照三合一傳感器設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)了基于I2C總線接口的全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度、溫度傳感器和環(huán)境光三合一傳感器。其具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路，提供I2C數(shù)字接口以及8～12位溫度感測(cè)、濕度感測(cè)和22位超寬光動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。傳感器IC設(shè)計(jì)工作在3．3 V供電，滿負(fù)荷工作時(shí)僅消耗20μA電流，休眠電流為0．3μA。針對(duì)傳感器的性能特點(diǎn)、接口時(shí)序與命令進(jìn)行了闡述，給出了與單片機(jī)的接口電路及相應(yīng)程序。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明，其具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 數(shù)字電路；溫濕度；光傳感器；I2C總線

在對(duì)環(huán)境溫度、濕度和光照度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，大多使用熱敏電阻、濕敏電容和光敏器件來分別測(cè)量溫度、濕度和光照度。這種測(cè)量方法一般要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，還要經(jīng)過復(fù)雜的標(biāo)定過程，測(cè)量精度難以保證。當(dāng)對(duì)兩個(gè)以上的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)都必須使用獨(dú)立傳感器和獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理電路，這不僅使得測(cè)量系統(tǒng)的成本和體積大幅提高，也在一定程度上增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本設(shè)計(jì)采用SHT11溫濕度傳感器芯片和一款集成了ADC的環(huán)境光傳感器MAX9635，實(shí)現(xiàn)溫、濕度及光照三合一傳感器設(shè)計(jì)。

1 三合一傳感器簡(jiǎn)介
該傳感器集環(huán)境溫、濕度和光照度傳感器于一體，使測(cè)量系統(tǒng)的成本和體積大為降低，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
1．1 溫濕度測(cè)量
環(huán)境溫度、濕度測(cè)量采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器芯片。其主要特點(diǎn)有：(1)高度集成。(2)提供二線數(shù)字串行接口，接口簡(jiǎn)單。(3)測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)。(4)測(cè)量精確度高，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算。(5)測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式。(6)高可靠性，自校準(zhǔn)。
SHT11將溫度、濕度感測(cè)、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，該芯片分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)14位A／D轉(zhuǎn)換后；由二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。在測(cè)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)。
由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其他類型濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡(jiǎn)化了接口方式。
1．2 光照度測(cè)量
環(huán)境光傳感器采用集成了光電二極管和ADC，且提供I2C數(shù)字接口的光傳感器MAX9635。傳感器IC具有超低電流損耗(典型值為0．65μA)和極寬的光動(dòng)態(tài)范圍為0．045～188 000 lx。片內(nèi)自動(dòng)量程調(diào)整機(jī)制無需用戶干涉增益范圍的設(shè)置。

2 溫濕度工作時(shí)序
SHT11的I2C通訊數(shù)據(jù)格式與普通格式不兼容。
(1)傳輸開始。在SCK為高時(shí)使SDA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個(gè)SCK為高時(shí)將SDA升高，如圖1所示。