環境溫、濕度及光照三合一傳感器設計

于拴道，張江亞，唐堯華

(河北科技學院機電工程系，河北保定 071000)

在對環境溫度、濕度和光照度進行測量時，大多使用熱敏電阻、濕敏電容和光敏器件來分別測量溫度、濕度和光照度。這種測量方法一般要設計相應的信號調理電路，還要經過復雜的標定過程，測量精度難以保證。當對兩個以上的參數進行監測時，每一個測量點都必須使用獨立傳感器和獨立的信號調理電路，這不僅使得測量系統的成本和體積大幅提高，也在一定程度上增加了系統設計的復雜性。本設計采用SHT11溫濕度傳感器芯片和一款集成了ADC的環境光傳感器MAX9635，實現溫、濕度及光照三合一傳感器設計。

1 三合一傳感器簡介

該傳感器集環境溫、濕度和光照度傳感器于一體，使測量系統的成本和體積大為降低，減少了系統設計的復雜性。

1.1 溫濕度測量

環境溫度、濕度測量采用SHT11數字溫濕度傳感器芯片。其主要特點有:(1)高度集成。(2)提供二線數字串行接口，接口簡單。(3)測量精度可編程調節。(4)測量精確度高，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算。(5)測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式。(6)高可靠性，自校準。

SHT11將溫度、濕度感測、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，該芯片分別將濕度和溫度轉換成電信號，經14位A/D轉換后;由二線串行數字接口輸出數字信號。在測量過程中，校準系數會自動校準來自傳感器的信號。

由于將傳感器與電路部分結合在一起，因此，該傳感器具有比其他類型濕度傳感器優越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩定性。傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。

1.2 光照度測量

環境光傳感器采用集成了光電二極管和ADC，且提供I2C數字接口的光傳感器MAX9635。傳感器IC具有超低電流損耗(典型值為0.65 μA)和極寬的光動態范圍為0.045～188000 lx。片內自動量程調整機制無需用戶干涉增益范圍的設置。

表1 傳感器特性

2 溫濕度工作時序

SHT11的I2C通訊數據格式與普通格式不兼容。

(1)傳輸開始。在SCK為高時使SDA由高電平變為低電平，并在下一個SCK為高時將SDA升高，如圖1所示。

圖1 開始命令格式

(2)地址與測試對象命令。該命令包含3個地址位和5個命令位，其后為應答ACK位，表示SHT11正確收到命令。傳感器命令列表，如表2所示。

表2 傳感器命令列表

(3)溫濕度測量時序。當發出了溫/濕度測量命令后，控制器就要等到測量完成(使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210 ms)。當測量完成后，SHT11將數據線拉低，然后傳送2 Byte的測量數據與1 Byte CRC校驗和。通訊在確認CRC數據位后停止。如果沒有用CRC校驗和，則控制器就會在測量數據LSB后保持ACK為高來停止通訊，測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。測量溫度和濕度命令所對應的時序見SHT11說明書。

(4)溫濕度寄存器配置。溫濕度傳感器中一些高級功能是通過狀態寄存器實現的。寄存器中各位的類型及說明詳見SHT11使用說明書。

3 光傳感器I2C通訊格式

Start和Stop條件:主機通過發送Start條件啟動通信，Start、Repeated Start條件如圖2所示，Stop條件如圖3所示。

從地址:寫操作從地址0x94，讀操作0x95。

應答:寫操作模式下，應答位(ACK)是第9個時鐘位，是傳感器IC對其接收的每個數據字節的握手信號，如圖4所示。如果成功接收主機發送確認，若數據傳輸失敗，總線主機會重試通信。每次讀取字節后，主機均發送應答信號，使數據繼續傳輸。當主機從傳感器IC讀取數據的最后Byte時，發送非應答，隨后是Stop。

寫數據格式:圖4所示為向傳感器IC寫入1個字節數據時的正確幀格式。

圖4 傳感器IC寫入1個數據Byte

讀數據格式:圖5所示為讀1 Byte數據時的正確幀格式。

圖5 從傳感器IC讀取1 Byte的數據

寄存器定義:0x00和0x01中斷狀態與中斷使能;0x02功能配置;0x03和0x04存放流明讀數;0x05和0x06中設置流明上限和流明下限;0x07中設置適當的門限定時器數據。

自動量程調整模式:自動模式配置下，自動量程調整電路采用兩種方法改變其靈敏度。光照超過700 lx時，分流器通過除以系數8來降低光電二極管的電流。默認設置下，分流比為1，電流直接送入A/D轉換器。當光強降低時，自動量程調整電路將積分時間從100 ms提高到200 ms、400 ms或800 ms。分流器和不同積分時間相組合，可使A/D轉換范圍比其16位標稱范圍提高8倍，或降低8倍。從而獲得22位或略高于4000000∶1的動態范圍。

流明讀數的數據格式:傳感器IC提供用戶易于接收的數字輸出格式。它由4位指數和隨后的8位尾數組成。在最高靈敏度模式下，1個計數值表示0.045 lx。尾數最大值為255，指數最大值為14。所以，最大量程為255×214=4177920。在此模式下，最大讀數為188000 lx，大于該值的任何讀數均被認為是過載。

門限寄存器數據格式:傳感器IC中斷電路要求按照特定格式給出上限和下限，以便正確解析數據。寄存器0x05和0x06中的上限和下限數值必須與高字節流明格式相匹配，由4位指數和尾數的4個最高有效位組成。

4 三合一傳感器的應用設計

微處理器采用二線串行數字接口和傳感器進行通信，硬件接口非常簡單;然而，通信協議是芯片廠家定義的，所以在軟件設計中，需要用微處理器通用I/O口模擬通信協議。

4.1 硬件設計

硬件連接如圖6所示。

圖6 三合一傳感器與MCU的連接圖

4.2 軟件設計

由于SHT11和MAX9635的二線串行通信協議和I2C協議不兼容。必須使用GTIO口模擬出如圖4和圖5所示的數據格式。

下面給出用通用I/O口模擬I2C格式的程序

釋放占線，將DATA設為輸入

基于以上宏定義，可以方便地使SCK和SDA總線輸出持續一定時間的高電平或低電平，從而實現傳感器的讀寫。

4.3 溫度、濕度光照值的計算

4.3.1 濕度線性補償和溫度補償

SHT11可通過SDA數據總線直接輸出數字量濕度值為“相對濕度”，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值。可按式(1)修正濕度值。

式中，RHlinear為經過線性補償后的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1，C2和C3為線性補償系數，取值如表3所示。

表3 線性補償系數取值

由于溫度對濕度的影響十分明顯，而實際溫度和測試參考溫度25℃有所不同。補償公式如式(2)所示。

式中，RHtrue為經過線性補償和溫度補償后的濕度值;T為測試濕度值時的溫度;t1和t2為溫度補償系數，取值如表4所示。

表4 溫度補償系數取值

4.3.2 溫度值輸出

由于SHT11具有較好的線性輸出。實際溫度值可由式(3)算得。

式中，d1和d2為特定系數。d1的取值與SHT11工作電壓有關，d2的取值則與SHT11內部A/D轉換器采用的分辨率有關，其對應關系分別如表5和表6所示。

表5 VDD與d1對應關系

表6 SOT與d2對應關系

5 結束語

該傳感器集溫度傳感器、濕度傳感器和環境光傳感器于一體，可用于對環境溫、濕度和光照度實時監測，具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優點;由于芯片采用采用數字信號輸出，因此抗干擾能力比同類芯片高。傳感器IC具有超低電流損耗、極寬的光動態范圍、免調試和自動量程調整的特點，無需用戶干涉增益范圍的設置。因此，該傳感器在對溫室、汽車等環境溫濕度、光監測和其他自動控制等領域將得到廣泛應用。

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