摘要：介紹了基于STC11系列單片機(jī)和Sensirion公司新一代高精度溫濕度傳感器SHT2x的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。SHT2x完全標(biāo)定，具有精度高、功耗低、穩(wěn)定度好、體積小和數(shù)字輸出等特點(diǎn)，非常適合于在便攜和移動(dòng)設(shè)備中對(duì)溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)控。
引言
新一代Sensirion溫濕度傳感器SHT2x，采用適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳DFN無(wú)鉛封裝，底面3 mm×3 mm，高度1.1 mm，具有超小型的體積，特別適合移動(dòng)測(cè)量設(shè)備。傳感器輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，是標(biāo)準(zhǔn)的 I2C總線格式。SHT2x配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的4C代CMOSens芯片、一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的電容式濕度傳感元件和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的能隙溫度傳感元件，內(nèi)置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元，能同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度。SHT2x的性能和可靠性，特別是在高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，相對(duì)于前一代傳感器SHT1x和SHT7x有很大提升，而數(shù)據(jù)傳輸操作更為簡(jiǎn)單。每一個(gè)傳感器都經(jīng)過校準(zhǔn)和測(cè)試，在芯片內(nèi)存儲(chǔ)了電子識(shí)別碼，可以通過輸入命令讀出這些識(shí)別碼。此外，SHT2x的分辨率可以通過輸入命令進(jìn)行改變，傳感器可以檢測(cè)到電池低電量狀態(tài)，有極低功耗的節(jié)能模式，具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。SHT2x系列中最高精度的SHT25的相對(duì)濕度測(cè)量精度達(dá)到1.8%，溫度測(cè)量精度為0.2。
1 接口和通信協(xié)議
1.1 芯片引腳、信號(hào)和時(shí)序說(shuō)明
SHT2x使用了6引腳封裝中的4個(gè)引腳，分別是電源VDD、地VSS、雙向串行時(shí)鐘SCL和雙向串行數(shù)據(jù)SDA。SHT2x供電范圍為2.1~3.6 V，推薦電壓為3.0 V。SCK用于微處理器與SHT1x之間的通信同步。
圖1 數(shù)字輸入/輸出端的時(shí)序圖
SDA引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出。當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時(shí)，SDA在串行時(shí)鐘SCL的上升沿有效，且當(dāng) SCL為高電平時(shí)，SDA必須保持穩(wěn)定。在SCL下降沿之后，SDA值可被改變。為確保通信安全，SDA的有效時(shí)間在SCL上升沿之前和下降沿之后應(yīng)該分別延長(zhǎng)至tSU和tHD，數(shù)字輸入/輸出端時(shí)序如圖1所示。當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時(shí), SDA在SCL變低以后有效tVD時(shí)長(zhǎng)，且維持到下一個(gè)SCL的下降沿。圖1中的縮略語(yǔ)在表1中解釋。圖1中DATA OUT SDA由傳感器控制，DATA IN SDA由MCU控制。SDA有效讀取時(shí)間由前一個(gè)轉(zhuǎn)換的下降沿觸發(fā)。
表1 I2C總線快速模式數(shù)字輸入/輸出端的時(shí)序特性
1.2 通信協(xié)議
SHT2x采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議進(jìn)行通信，所有傳感器都被設(shè)置為相同的7位I2C總線地址1000 000。
1.2.1 傳感器的啟動(dòng)與停止時(shí)序
上電后，傳感器需要15 ms時(shí)間以達(dá)到空閑狀態(tài)，即準(zhǔn)備接收由主機(jī)(MCU)發(fā)送的命令，此時(shí)SCL為高電平。每個(gè)傳輸序列都以啟動(dòng)傳輸狀態(tài)(S)作為開始，并以停止傳輸狀態(tài)(P)作為結(jié)束。圖2是啟動(dòng)傳輸狀態(tài)的時(shí)序圖。
圖2 啟動(dòng)傳輸狀態(tài)時(shí)序圖
當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。開始狀態(tài)是由主機(jī)控制的一種特殊的總線狀態(tài)，指示從機(jī)傳輸開始，啟動(dòng)之后，總線處于占線狀態(tài)。圖3是停止傳輸狀態(tài)的時(shí)序圖。
圖3 停止傳輸狀態(tài)時(shí)序圖
當(dāng)SCL高電平時(shí)， SDA由低電平轉(zhuǎn)換為高電平。停止?fàn)顟B(tài)是由主機(jī)控制的一種特殊的總線狀態(tài)，指示從機(jī)傳輸結(jié)束，停止之后，總線處于閑置狀態(tài)。
1.2.2 發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)
在啟動(dòng)傳輸后，隨后傳輸?shù)氖鬃止?jié)包括7位的I2C總線設(shè)備地址和一個(gè)SDA方向位，讀為“1”，寫為“0”。在第8個(gè)SCL時(shí)鐘下降沿之后，通過拉低SDA引腳(ACK位)，指示傳感器數(shù)據(jù)接收正常。在發(fā)出測(cè)量命令之后主機(jī)必須等待測(cè)量完成?；镜拿钤诒?中進(jìn)行說(shuō)明，有兩種不同的方式可選——主機(jī)模式或非主機(jī)模式。
表2 基本命令集
MC與傳感器之間的通信有兩種不同的工作模式：主機(jī)模式和非主機(jī)模式。在主機(jī)模式下，在測(cè)量的過程中，SCL線被封鎖(由傳感器進(jìn)行控制);在非主機(jī)模式下，當(dāng)傳感器在執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，SCL線仍然保持開放狀態(tài)，可進(jìn)行其他通信。非主機(jī)模式允許傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)在總線上處理其他I2C總線通信任務(wù)。本文只涉及主機(jī)模式，其時(shí)序如圖4所示。
圖4 主機(jī)通信模式時(shí)序
在主機(jī)模式下測(cè)量時(shí)，SHT2x將SCL拉低，強(qiáng)制主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。通過釋放SCL線，表示傳感器內(nèi)部處理工作結(jié)束，進(jìn)而可以繼續(xù)數(shù)據(jù)傳送。
圖4中灰色部分由SHT2x控制。如果要省略校驗(yàn)和(CRC)傳輸，可將第45位改為NACK，之后接一個(gè)傳輸停止時(shí)序。
由于測(cè)量的最大分辨率為14位，第2個(gè)字節(jié)SDA上的后兩位LSB，即第43和44位用來(lái)傳輸相關(guān)的狀態(tài)信息，第43位表示測(cè)量的類型，“0”表示測(cè)量溫度，“1”表示測(cè)量濕度，第0位當(dāng)前沒有使用。
在圖4中，傳感器輸出為0110 0011 0101 0010。在進(jìn)行物理?yè)Q算時(shí)，后兩位狀態(tài)位應(yīng)置0。
所需最長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間取決于測(cè)量類型和分辨率，最高分辨率14位的測(cè)量時(shí)間最大值為85 ms，測(cè)量時(shí)間的最大值由MCU控制。
