基于SHT11傳感器的測控設備溫濕度監測系統設計

龐岳峰，朱巍巍，謝克佳，羅 義

(酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

在測控設備遠程操控建設中，設計了遠程加電系統，實現在遠程操控機房控制測控設備每個分系統的加斷電功能[1]。隨著遠程操控精細化的進一步需求，需要對測控設備工作溫濕度環境進行實時監測，必要時進行機房溫濕度的調節。溫濕度監測與控制在土壤環境、機房、車間、電梯及水電領域已有諸多應用[2-7]，按照通信方式，主要分為無線監測[8-10]和有線監測[3,11,12]。溫濕度監測系統所采用的關鍵器件有DHT11傳感器[4]、DS18B20傳感器[5]、MTS310傳感器[8]、SHT71傳感器[9,10,13]、SHT11傳感器[14-16]、AT89C51[17]單片機以及FPGA器件[18]等。SHT11的優點為無需外部模擬電路，可直接被微控制器訪問，精度高、長期穩定性好、反應速度快、能耗低[15-16]。本文基于測控設備遠程加電硬件板[1]設計，采用SHT11傳感器和X3CS200芯片進行功能拓展，實現了溫濕度信息的采集、存貯、傳輸和計算，在監測到溫濕度不滿足要求時，采用遠程加電、斷電功能通過溫濕度控制設備進行調節。

1 溫濕度監測系統總體設計

1.1 SHT11傳感器的工作原理

SHT1x系列采用工業CMOSens TM技術制作，溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、總線接口全部集成于一芯片，體積小，可表面貼裝。該器件數字化輸出，濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位，具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能。

SHT1x典型應用電路如圖1所示，輸出接口采用具有工業標準總線，通過時鐘引腳SCK和數據引腳DATA完成數據傳輸。SCK用于微處理器和傳感器SHT之間通信的同步，DATA引腳為三態數據引腳，用于從器件中輸入和輸出數據。DATA在SCK的下降沿之后變化，在上升沿時有效。在數據傳輸過程中，當SCK是高電平時，DATA線必須保持穩定。為避免信號沖突，微處理器僅可驅動DATA為低電平。因此，需要一個額外的電阻來把信號拉高，上拉電阻一般包含在微處理器的電路中。

圖1 SHT1x系列典型應用電路

1.2 溫濕度監測系統總體結構

溫濕度監測系統結構如圖2所示，溫濕度采集利用SENSIRION公司的溫濕度傳感器SHT11實現，SHT11控制模塊在FPGA開發板上實現，完成對SHT11傳感器的指令發送及檢測結果的讀取和解碼，利用VHDL硬件語言編寫。SHT11控制模塊獲得的溫度和濕度通過串口發送，并經NPort轉換成網絡數據格式，傳輸到監控主機，在監控軟件上實時顯示。

圖2 溫濕度監測系統結構設計

1.3 數據讀寫時序設計

SHT11的主要時序包括命令時序、測量數據時序、數據輸出時序和復位時序。命令時序指由微處理器向SHT11發送命令字，包含3個地址比特和5個命令比特。在發送命令時序前需要一個啟動序列信號，序列信號的定義為：在SCK高電平時，DATA變成低電平并保持，當SCK信號產生一個低電平脈沖后變成高電平時，DATA變為高電平。

啟動序列后，微處理器即可發送命令序列，共8 bit，SHT接收到8 bit命令后，返回微處理器一個應答信號。應答信號的定義是：在命令序列的第8個SCK時鐘的下降沿后，SHT把DATA引腳拉低，在第9個SCK時鐘的下降沿之后，釋放DATA。

SHT正確接收命令序列后，進入測量周期，此時DATA保持高電平。測量時間大約為11 ms(8 bit)、55 ms(12 bit)和210 ms(14 bit)。測量結束后，SHT把DATA線拉低，開始進入數據輸出時序。

數據輸出時，先輸出高位，后輸出低位。例如默認狀態下，測量溫度使用14 bit輸出，最高位默認為零，即在DATA線被SHT拉低后，第1個SCK時鐘周期，SHT輸出為零，第2個時鐘周期開始輸出溫度值；同理，測量濕度使用12 bit，則前4個SCK時鐘周期，SHT輸出為零，從第5個周期開始輸出濕度值。SHT每發送8 bit，需要微處理器返回一個應答信號，共發送3 Byte數據。數據發送完畢，在測量結果的最低位發送后，微處理器不再返回ACK信號，而是直接把ACK信號拉高。

1.4 溫濕度值計算

1.4.1 濕度計算

濕度傳感器是一個非線性器，首先需要進行非線性補償，公式為RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2，其中，SORH為SHT輸出值(十進制數)，其他參數如表1所示。

表1 濕度計算參數表

SORH/bitC1C2C312 -40.040 5-2.8×10-68 -40.648-7.2×10-4

1.4.2 溫度計算

溫度傳感器為一個線性器件，計算公式為：T=d1+d2×SOT，各參數取值如表2所示。

表2 溫度計算參數表

VDD/Vd1/℃SOT/bitd2/℃3.5-39.66140.013-39.60120.04

1.4.3 CRC計算

生成多形式為x8+x5+x4，檢測的故障類型有奇數故障、2 bit故障、8 bit以內的連續故障等。該器件輸出的CRC碼是命令序列并聯測量值的校驗和，例如測量濕度，輸入命令為0x05，測量結果是0x0931，則CRC輸出的結果相當于0x050931的校驗值，若按照逐字節計算的方法，計算過程如圖3所示。

圖3 CRC計算示意圖

CRC值與溫濕度值的輸出不同，溫濕度值先輸出高位，而CRC值先輸出低位。因此，控制模塊從SHT中讀取CRC后，需要把讀取的值倒置一下。

2 模塊及功能設計

頂層模塊包括4個子模塊，即串口接收模塊、串口發送模塊、時鐘產生模塊和SHT控制模塊。SHT控制模塊完成對溫濕度傳感器SHT11的命令輸入和測量數據讀取，是核心模塊。

SHT控制模塊包含兩部分，一為測量控制模塊，是輸入SHT命令序列和讀取測量數據的控制模塊，主要完成功能是當從串口接收到指令代碼時，判斷需要進行溫度(或濕度)測量還是讀取測量數據、CRC校驗值并寄存；二為發送控制模塊，是發送測量數據的控制模塊，主要功能是檢測到SHT11模塊測量完畢后，依次輸出指令代碼、溫度、濕度和CRC值到串口發送模塊。

2.1 測量控制模塊設計

測量控制模塊包含3部分:① Cndprocess模塊用于發送啟動序列和命令序列；② MeasureT_RH模塊等待SHT測量完畢后，用于讀取測量的溫濕度值，并根據相應的時序返回ACK信號；③ ControlMachine模塊當接收到相應命令代碼時，觸發Cndprocess模塊，發送測量命令，在MeasureT_RH模塊測量完畢后寄存測量值和CRC校驗值，完成測量后，設置mea_end=1表示測量完畢。ControlMachine模塊的輸入輸出接口如表3所示。

表3 ControlMachine模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數功能描述clkinput1時鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復位信號,低電平有效finishinput1測量過程標示MeaCodeinput16測量命令代碼MeaStartinput1串口使能信號commendoutput3SHT的命令代碼序列Mea_endoutput1測量完畢指示信號,上升沿有效startoutput1發送SHT起始序列的觸發信號

其主要功能是：根據串口輸入的字節值，選擇不同的測量命令序列，并觸發開始測量信號。模塊工作的流程圖如圖4所示。

圖4 ControlMachine模塊流程

Cndprocess模塊的輸入輸出接口如表4所示。

表4 Cndprocess模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數功能描述clkinput1時鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復位信號,低電平有效startinput1發送SHT起始序列的觸發信號,高電平有效commendinput3SHT的命令代碼序列ackoutput1ACK信號,布爾類型,true有效doutoutput1SHT器件DATA線的輸出值sckxoutput1SHT器件的時鐘信號SCKwenoutput1三態端口信號的使能信號

完成SHT器件的起始命令序列、溫度/濕度測量命令序列以及ACK信號的傳輸，同時產生SHT器件的SCK時鐘信號，主要采用計數器法，對命令序列進行賦值。流程圖設計如圖5所示，信號sck_c為一個2 bit的信號，在時鐘clk的觸發下，進行循環加1，而在sck_c=“01”或“02”時，令sckx=1，其他情況等于0，從而產生SHT器件的SCK信號。

圖5 Cndprocess模塊流程

MeasureT_RH模塊的輸入輸出接口定義如表5所示。

表5 MeasureT_RH模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數功能描述clkinput1時鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復位信號,低電平有效sckinput1SHT器件的時鐘信號SCKack_cndinput1ACK信號,布爾類型,true有效crcoutput7SHT器件輸出的CRC校驗碼dataT_RHoutput16SHT器件輸出的溫度/濕度測量值finishoutput1讀取測量值標示信號,1表示閑,0標示忙sht_readyoutput1SHT內部測量過程的標示信號ack_moutput1ACK信號,布爾類型,true有效wenoutput1三態端口信號的使能信號

完成讀取SHT器件溫度/濕度測量值和CRC校驗碼，并完成對ACK信號的傳輸。首先，當命令序列發送完畢后，等待SHT返回ACK信號，檢測到ACK信號后，說明SHT已經正確接收到命令序列，開始測量。其次，等待SHT的“準備完畢”信號(SHT把DATA線拉低)有效后，采用計數器法，對讀取的測量值和CRC校驗碼進行控制，通過檢測SCK時鐘的上升沿，實現計數器的疊加，具體流程如圖6所示。

圖6 MeasureT_RH模塊流程

2.2 發送控制模塊設計

完成向串口模塊發送4 Byte的控制功能，模塊外部接口定義如表6所示。

表6 發送控制模塊輸入輸出接口

信號名稱端口位數功能描述clkinput1時鐘信號,19.2 kHzrst_ninput1復位信號,低電平有效Mea_endinput1SHT測量結束標識信號DATAT_RHinput16溫濕度測量值的輸出crcinput8CRC校驗值Commendinput3SHT的命令序列Tra_startoutput1串口的發送起始信號TraSHT_finishoutput1串口發送過程的標示信號TraDataoutput8發送至串口的數據

發送的4個字節主要包括：測量命令1 Byte(0xCC或0xDD)、測量值2 Byte(溫度值或濕度值)和測量值的CRC校驗碼1 Byte。返回測量命令的作用是：對測量結果進行識別，便于測量值的計算和校驗。

3 溫濕度監測精度分析

如圖2所示，搭建溫濕度測量環境平臺，測試環境為測控設備機房。根據器件說明書，采用14位數據測量溫度的分辨率為0.01 ℃，量程范圍為-40 ℃～123.8 ℃，溫度最大測量誤差為±3 ℃，在-20 ℃～40 ℃范圍內，測量誤差< 1.5 ℃。采用12位數據測量濕度的分辨率為0.03%，量程范圍為0～100%，濕度測量在20%～80%范圍內，測量誤差為±3%，其他范圍隨測量濕度變化而現行變化，最大為±5%。

以“逸品博洋HTC-8”型溫濕度計為參考，通過空調控制測控設備內溫度和濕度，HTC-8溫濕度計和自行設計的溫濕度計同時測量并記錄，獲得數據如表7所示。從表中可看出，本設計的溫度測量值與參考溫濕度計的測量值(HTC-8)之間誤差<1℃，濕度測量值之間的誤差小于4%。根據測控設備日常環境溫濕度要求，本設計能夠滿足正常的環境監控需求。

表7 溫濕度測量結果比較表

序號溫度/℃濕度/%SHT-11HTC-8SHT-11HTC-8126.7826.722.122225.6525.523.721324.2424.325.622423.5023.526.523522.7022.827.925

4 結束語

本文設計的測控設備溫濕度監測系統與原遠程加電系統功能融合，通過控制加熱器、除濕機等電器通電和斷電方式在一定程度上達到了設備環境溫濕度監測及控制的目的，但是這種方式還具有一定局限性，后續將進一步研究對空調等電器設備的遠程設置。