摘要：本文介紹了新一代基于CMOSens^TM技術(shù)的單片全校準(zhǔn)溫濕度傳感器SHT15，該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成了高集成度、小體積的數(shù)字式溫濕度傳感器。文中對(duì)傳感器的性能參數(shù)、信號(hào)輸出、非線性及溫度補(bǔ)償、接口方式進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：CMOSens^TM ；數(shù)字式；溫濕度傳感器；SHT15

中圖分類號(hào)：TP212.11? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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一、概述

溫濕度的測(cè)量在倉(cāng)儲(chǔ)管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測(cè)、科學(xué)研究及日常生活中被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定過(guò)程，測(cè)量精度難以得到保證，且在線性度、重復(fù)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(shù)（將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成高集成度、體積極小的溫濕度傳感器技術(shù)）的數(shù)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換功能，它有如下優(yōu)點(diǎn)：

? ??首先，由具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)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(lái)自其它方面的影響。廠家一年來(lái)的強(qiáng)度測(cè)試顯示出，傳感器即使浸入液體中也不會(huì)受到損害。將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，這就使得測(cè)量精度提高并且可以精確得出露點(diǎn)，而不會(huì)產(chǎn)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(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、OTP校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I²C工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行總線等電路功能部件全部采用CMOS技術(shù)與溫濕度傳感器一起放置在一個(gè)面積只有幾平方毫米的芯片內(nèi)。這種基于上述CMOSens^TM技術(shù)的傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)極為明顯，由于傳感器與放大器合為一體，不僅使信號(hào)強(qiáng)度增加，更重要的是長(zhǎng)期穩(wěn)定性也得到增強(qiáng)，這對(duì)傳感器系統(tǒng)是極為重要的。同時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換也在一個(gè)芯片內(nèi)同時(shí)完成，這可使信號(hào)對(duì)噪聲不敏感，而且芯片自身具有的CRC校驗(yàn)功能更使芯片數(shù)據(jù)傳輸更可靠。尤其重要的是，在傳感器芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)裝載的針對(duì)每一只傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只傳感器都有相同的功能，可以實(shí)現(xiàn)100%的互換。此外，該傳感器還有反應(yīng)迅速、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

基于CMOSens^TM技術(shù)的傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jī)化測(cè)試帶來(lái)極大的方便，這不僅能減少溫濕度測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，還可節(jié)約數(shù)字化接口的軟硬件成本。

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二、CMOSensTM傳感器性能特點(diǎn)

SHT15是一款基于CMOSens^TM技術(shù)的由多個(gè)傳感器模塊組成的單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出相對(duì)濕度和溫度傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于采用了特有的工業(yè)化CMOS技術(shù)，它具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。芯片內(nèi)包括經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器，它們與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，每一個(gè)傳感器都是在精確的溫室中進(jìn)行校準(zhǔn)的，校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中，在測(cè)量校準(zhǔn)的全過(guò)程都要用到這些系數(shù)，二線串行I²C總線接口支持簡(jiǎn)單、快速的系統(tǒng)集成。SHT15傳感器的特點(diǎn)如下：

⑴全校準(zhǔn)數(shù)字輸出相對(duì)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(diǎn)計(jì)算輸出功能；

⑷無(wú)需外圍元件；

⑸小體積（7×5×3mm），可表面貼裝；

⑹卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

⑺自動(dòng)斷電功能；

⑻工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I²C總線接口；

⑼可靠的CRC傳輸校驗(yàn)。

SHT15的相對(duì)濕度絕對(duì)精度、溫度精度、25℃露點(diǎn)精度如圖2所示，性能參數(shù)見表1。?

三、傳感器信號(hào)輸出

1、濕度值輸出

SHT15可通過(guò)I²C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，其相對(duì)濕度數(shù)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(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，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(duì)濕度測(cè)量值。

系數(shù)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(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值T：

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

式中，SO_T—傳感器溫度測(cè)量值。

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

3、露點(diǎn)計(jì)算

空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值由下面的公式計(jì)算。

LogEW=0.66077＋ ＋log10（RH）-2（3）

D_p= ????????????? （4）

式中，EW—飽和水蒸氣壓強(qiáng)（mmHg）。

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四、非線性校正及溫度補(bǔ)償

公式(1)為相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償計(jì)算公式，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，計(jì)算量大而過(guò)于復(fù)雜，下面給出簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。

（1）線性

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)量精度要求不高時(shí)，可采用以下的線性計(jì)算公式。

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

式中，c₁=0.5， c₂=0.5。

（2）2×線性

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)量精度要求較高時(shí)，可采用以下的2×線性計(jì)算公式，即用最小的計(jì)算復(fù)雜性來(lái)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(dāng)0≤SO≤107時(shí)，a=143，b=512，當(dāng)108≤SO≤255 時(shí)，a=143，b=512。

（3）溫度補(bǔ)償

上述濕度計(jì)算公式是按環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際的測(cè)量溫度值則在一定的范圍內(nèi)變化，所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，按如下公式對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。

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

當(dāng)SO_RH為12位時(shí)，t₁=0.01，t₂=0.00008；當(dāng)SO_RH為8位時(shí)，t₁=0.01，t₂=0.00128。

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五、SHT15寄存器控制

SHT15的一些高級(jí)功能可通過(guò)控制內(nèi)部寄存器狀態(tài)獲得，內(nèi)部狀態(tài)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(guān)接通，傳感器溫度大約增加5℃，加熱用途如下：
??? （1）通過(guò)對(duì)啟動(dòng)加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比較，可以正確地區(qū)別傳感器的功能；
??? （2）在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過(guò)加熱來(lái)避免冷凝。
??? 2、低電壓檢測(cè)
??? SHT15的工作極限功能可以檢測(cè)V_DD電壓是否低于2.45V，準(zhǔn)確度為±0.1V。
??? 3、下載校準(zhǔn)系數(shù)
??? 為了節(jié)省能量并提高速度，OTP在每次測(cè)量前都要重新下載校準(zhǔn)系數(shù)，這會(huì)使每一次測(cè)量都節(jié)省8.2ms。
??? 4、測(cè)量分辨率設(shè)定

可以將測(cè)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(yīng)用于高速或低功耗場(chǎng)合。

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六、命令與接口時(shí)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(shí)序。

1、傳輸開始
??? 初始化傳輸時(shí)，應(yīng)發(fā)出“傳輸開始”命令，具體為SCK是高電平時(shí)，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個(gè)SCK為高時(shí)將DATA升高。
??? 接著傳輸開始命令的下一個(gè)命令包含三個(gè)地址位（目前只支持“000”）和5個(gè)命令位，通過(guò)DATA腳的ack位處于低電位表示SHT15正確收到命令。
??? 2、連接復(fù)位順序
??? 如果與SHT15傳感器的通訊中斷，下列信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位：當(dāng)使DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK 9次以上（含9次），并發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開始”命令。
??? 3、溫濕度測(cè)量時(shí)序
??? 當(dāng)發(fā)出了溫（濕）度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成后才開始動(dòng)作。使用8/12/14位的分辨率測(cè)量分別需要大約11/55/210ms。為表明測(cè)量完成，SHT15會(huì)使DATA為低電平，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK，然后SHT15傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和到控制器，控制器必須通過(guò)使DATA為低來(lái)確認(rèn)每一字節(jié)，通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC-8校驗(yàn)和，則控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后，保持ack為高來(lái)停止通訊，SHT15在測(cè)量和通訊完成之后會(huì)自動(dòng)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(shí)工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時(shí)，每秒最多進(jìn)行3次測(cè)量）。
??? 測(cè)量溫度和測(cè)量濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖4所示。

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七、應(yīng)用電路

SHT 15數(shù)字式溫濕度傳感器可廣泛的應(yīng)用于如下領(lǐng)域：
??? ⑴加熱通風(fēng)和空調(diào)技術(shù)：智能樓宇控制;
??? ⑵倉(cāng)儲(chǔ)管理：糧食、煙草、紙張、藥材、食品等儲(chǔ)藏管理；
??? ⑶測(cè)量和控制技術(shù)：精密光學(xué)、電子、化工、機(jī)械加工的濕度控制；
??? ⑷自動(dòng)化與過(guò)程控制：工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造。

這里給出SHT15與AT89C2051單片機(jī)接口構(gòu)成的溫濕度測(cè)量電路，如圖5。
??? 由于AT89C2051不具備I²C總線接口，故使用單片機(jī)通用I/O口線來(lái)虛擬I²C總線，利用P1.0口來(lái)虛擬數(shù)據(jù)線DATA，P1.1口線來(lái)虛擬時(shí)鐘線，并在DATA端接入一只4.7kW上拉電阻，同時(shí)在VDD及GND端接入一只0.1mF的去耦電容。相應(yīng)的軟件編制應(yīng)遵循上述的接口時(shí)序及I²C總線協(xié)議。

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八、結(jié)束語(yǔ)

基于CMOSens^TM技術(shù)的溫濕度傳感器將信號(hào)放大調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)字輸出接口等功能單元集成在了一個(gè)芯片內(nèi)，確保了傳感器極高的可靠性、卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)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(shí)現(xiàn)了溫濕度傳感器的數(shù)字式輸出，且免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路，該傳感器將代表著傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。

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參考文獻(xiàn)：

[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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