正島電器

摘要：本文介紹了新一代基于CMOSens^TM技術的單片全校準溫濕度傳感器SHT15，該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合在一起構成了高集成度、小體積的數字式溫濕度傳感器。文中對傳感器的性能參數、信號輸出、非線性及溫度補償、接口方式進行了詳細論述。

關鍵詞：CMOSens^TM ；數字式；溫濕度傳感器；SHT15

中圖分類號：TP212.11? 文獻標識碼：A

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一、概述

溫濕度的測量在倉儲管理、生產制造、氣象觀測、科學研究及日常生活中被廣泛應用，傳統的模擬式濕度傳感器需設計信號調理電路并要經過復雜的校準、標定過程，測量精度難以得到保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。瑞士Sensirion公司推出的新一代基于CMOSens^TM技術（將CMOS芯片技術與傳感器技術結合在一起構成高集成度、體積極小的溫濕度傳感器技術）的數字式溫濕度傳感器則很好地解決了濕度傳感器存在的上述問題，實現了數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換功能，它有如下優點：

? ??首先，由具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統與聚合物覆蓋層組成了傳感器芯片的電容，這樣除保持了電容式濕敏器件的原有特性外還可抵御來自其它方面的影響。廠家一年來的強度測試顯示出，傳感器即使浸入液體中也不會受到損害。將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起構成了一個單一的個體，這就使得測量精度提高并且可以精確得出露點，而不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。

其次，將傳感器元件、信號放大器、模/數轉換器、OTP校準數據存儲器、I²C工業標準串行總線等電路功能部件全部采用CMOS技術與溫濕度傳感器一起放置在一個面積只有幾平方毫米的芯片內。這種基于上述CMOSens^TM技術的傳感器系統的優勢極為明顯，由于傳感器與放大器合為一體，不僅使信號強度增加，更重要的是長期穩定性也得到增強，這對傳感器系統是極為重要的。同時，模/數轉換也在一個芯片內同時完成，這可使信號對噪聲不敏感，而且芯片自身具有的CRC校驗功能更使芯片數據傳輸更可靠。尤其重要的是，在傳感器芯片數據存儲器內裝載的針對每一只傳感器的校準數據保證了每一只傳感器都有相同的功能，可以實現100%的互換。此外，該傳感器還有反應迅速、高精度、低功耗等優點。

基于CMOSens^TM技術的傳感器的另一個優點是具有I²C二線串行總線接口，這可使傳感器方便的與任何類型的微處理器、微控制器接口相連，為溫濕度的微機化測試帶來極大的方便，這不僅能減少溫濕度測試系統的開發時間，還可節約數字化接口的軟硬件成本。

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二、CMOSensTM傳感器性能特點

SHT15是一款基于CMOSens^TM技術的由多個傳感器模塊組成的單片全校準數字輸出相對濕度和溫度傳感器，其內部結構如圖1所示。由于采用了特有的工業化CMOS技術，它具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。芯片內包括經校準的相對濕度和溫度傳感器，它們與一個14位的A/D轉換器相連，每一個傳感器都是在精確的溫室中進行校準的，校準系數預先存在OTP內存中，在測量校準的全過程都要用到這些系數，二線串行I²C總線接口支持簡單、快速的系統集成。SHT15傳感器的特點如下：

⑴全校準數字輸出相對濕度、溫度；

⑵溫度值分辨率為14位，濕度值分辨率為12位，可編程降至12位和8位；

⑶具有露點計算輸出功能；

⑷無需外圍元件；

⑸小體積（7×5×3mm），可表面貼裝；

⑹卓越的長期穩定性；

⑺自動斷電功能；

⑻工業標準I²C總線接口；

⑼可靠的CRC傳輸校驗。

SHT15的相對濕度絕對精度、溫度精度、25℃露點精度如圖2所示，性能參數見表1。?

三、傳感器信號輸出

1、濕度值輸出

SHT15可通過I²C總線直接輸出數字量濕度值，其相對濕度數字輸出特性曲線見圖3。

由圖3中曲線可以看出，SHT15的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，可按如下公式修正濕度值：

RH_linear=c₁＋c₂·SO_RH＋c₃·SO_RH^{2?? ???????????}(1)

式中，SO_RH—傳感器相對濕度測量值。

系數取值如下：

12位SO_RH：c₁=-4 ，c₂=0.0405 ，c₃=-2.8×10^-6

8位SO_RH：c₁=-4 ，c₂=0.648 ，c₃=-7.2×10^-4

2、溫度值輸出

SHT15溫度傳感器的線性非常好，可用下列公式將溫度數字輸出轉換成實際溫度值T：

T=d₁＋d₂·SO_{T ??????????????????????????????????}（2）

式中，SO_T—傳感器溫度測量值。

當電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時，d₁=-40，d₂=0.01；當溫度傳感器的分辨率為12位時，d₁=-40，d₂=0.04。

3、露點計算

空氣的露點值可根據相對濕度和溫度值由下面的公式計算。

LogEW=0.66077＋ ＋log10（RH）-2（3）

D_p= ????????????? （4）

式中，EW—飽和水蒸氣壓強（mmHg）。

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四、非線性校正及溫度補償

公式(1)為相對濕度的非線性補償計算公式，對于單片機系統而言，計算量大而過于復雜，下面給出簡化的計算方法。

（1）線性

當系統對濕度測量精度要求不高時，可采用以下的線性計算公式。

RH_simple=c₁＋c₂·SO_{RH???????????????????????} （5）

式中，c₁=0.5， c₂=0.5。

（2）2×線性

當系統對濕度測量精度要求較高時，可采用以下的2×線性計算公式，即用最小的計算復雜性來提高精確度。

RH_real=（a·SO＋b）/256???????????????? （6）

式中，SO—8位濕度傳感器輸出濕度值。

當0≤SO≤107時，a=143，b=512，當108≤SO≤255 時，a=143，b=512。

（3）溫度補償

上述濕度計算公式是按環境溫度為25℃進行計算的，而實際的測量溫度值則在一定的范圍內變化，所以應考慮濕度傳感器的溫度系數，按如下公式對環境溫度進行補償。

RH _true=（T－25）（t₁＋t₂SO_RH）＋RH_linear??? （7）

當SO_RH為12位時，t₁=0.01，t₂=0.00008；當SO_RH為8位時，t₁=0.01，t₂=0.00128。

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五、SHT15寄存器控制

SHT15的一些高級功能可通過控制內部寄存器狀態獲得，內部狀態寄存器為8位，各位的類型及含義如表2所示。
??? 1、加熱控制
??? 將傳感器芯片中的加熱開關接通，傳感器溫度大約增加5℃，加熱用途如下：
??? （1）通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進行比較，可以正確地區別傳感器的功能；
??? （2）在相對濕度較高的環境下，傳感器可通過加熱來避免冷凝。
??? 2、低電壓檢測
??? SHT15的工作極限功能可以檢測V_DD電壓是否低于2.45V，準確度為±0.1V。
??? 3、下載校準系數
??? 為了節省能量并提高速度，OTP在每次測量前都要重新下載校準系數，這會使每一次測量都節省8.2ms。
??? 4、測量分辨率設定

可以將測量分辨率由14位（溫度）、12位（濕度）分別減少到12位和8位，主要應用于高速或低功耗場合。

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六、命令與接口時序

SHT15傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見表3。

下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。

1、傳輸開始
??? 初始化傳輸時，應發出“傳輸開始”命令，具體為SCK是高電平時，DATA由高電平變為低電平，并在下一個SCK為高時將DATA升高。
??? 接著傳輸開始命令的下一個命令包含三個地址位（目前只支持“000”）和5個命令位，通過DATA腳的ack位處于低電位表示SHT15正確收到命令。
??? 2、連接復位順序
??? 如果與SHT15傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：當使DATA線處于高電平時，觸發SCK 9次以上（含9次），并發一個前述的“傳輸開始”命令。
??? 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后才開始動作。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210ms。為表明測量完成，SHT15會使DATA為低電平，此時控制器必須重新啟動SCK，然后SHT15傳送兩字節測量數據與1字節CRC校驗和到控制器，控制器必須通過使DATA為低來確認每一字節，通訊在確認CRC數據位后停止。如果沒有用CRC-8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，SHT15在測量和通訊完成之后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為使SHT15溫升高低于0.1℃，則此時工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時，每秒最多進行3次測量）。
??? 測量溫度和測量濕度命令所對應的時序如圖4所示。

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七、應用電路

SHT 15數字式溫濕度傳感器可廣泛的應用于如下領域：
??? ⑴加熱通風和空調技術：智能樓宇控制;
??? ⑵倉儲管理：糧食、煙草、紙張、藥材、食品等儲藏管理；
??? ⑶測量和控制技術：精密光學、電子、化工、機械加工的濕度控制；
??? ⑷自動化與過程控制：工業、農業生產制造。

這里給出SHT15與AT89C2051單片機接口構成的溫濕度測量電路，如圖5。
??? 由于AT89C2051不具備I²C總線接口，故使用單片機通用I/O口線來虛擬I²C總線，利用P1.0口來虛擬數據線DATA，P1.1口線來虛擬時鐘線，并在DATA端接入一只4.7kW上拉電阻，同時在VDD及GND端接入一只0.1mF的去耦電容。相應的軟件編制應遵循上述的接口時序及I²C總線協議。

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八、結束語

基于CMOSens^TM技術的溫濕度傳感器將信號放大調理、模/數轉換器、校準數據存儲器、數字輸出接口等功能單元集成在了一個芯片內，確保了傳感器極高的可靠性、卓越的長期穩定性及100%的互換性。I²C二線串行總線接口便于和微處理器、微控制器接口相連，實現了溫濕度傳感器的數字式輸出，且免調試、免標定、免外圍電路，該傳感器將代表著傳感器技術的發展方向。

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參考文獻：

[1]HTTP://www.sensirion.com/en/pdf/Datasheet_SHT1x_SHT7x.pdf? [DB/OL]

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Digital Temperature and Humidity Sensor based on CMOSens^TM Ttechnique and its Application

Abstract: A new generation single chip whole— calibration temperature and humidity sensor SHT15 which is based on the CMOSens^TM technique is introduced. The sensor that combines CMOS chip and sensor technique is a high integration and small cubage digital temperature and humidity one. The performance parameters, signal output, non-linearity and temperature offset, and interface mode of the sensor are also discussed particularly

Keywords: CMOSens^TM? ；digital；temperature and humidity sensor

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