王冬霞，張玉輝，洪耀球

（景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 江西 景德鎮(zhèn) 333000）

氡及其子體的測(cè)量是一個(gè)涵蓋智能儀器、核輻射探測(cè)、核技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境評(píng)價(jià)、工業(yè)計(jì)量、工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)通信與軟件等多領(lǐng)域的問題。然而氡及其子體濃度受溫濕度的影響很大[1，4]，因此溫濕度的測(cè)量對(duì)于測(cè)氡儀來說是非常重要的。傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都要涉及信號(hào)調(diào)理電路并需要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，所以測(cè)量精度難以保證[1]。由某公司生產(chǎn)的SHT15單芯片傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)（CMOSens），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與1個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[5]。系統(tǒng)采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，有130個(gè)多功能輸入/輸出端口[3，6]，所以在設(shè)計(jì)時(shí)直接利用S3C2440A的通用 I/O口來模擬通信時(shí)序控制SHT15，整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

1 SHT15簡(jiǎn)介

1.1 SHT15性能特點(diǎn)

SHTl5是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)如下：

1）將溫濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個(gè)芯片上；

2）提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗(yàn)；

3）測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器；

4）提供溫度補(bǔ)償和濕度測(cè)量值以及高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；

5）由于采用了CMOSensTM技術(shù)，可浸入水中進(jìn)行測(cè)量。

1.2 SHT15性能參數(shù)

SHT15的性能參數(shù)如下：

1） 濕度測(cè)量范圍：0～100%RH；2） 溫度測(cè)量范圍：－40～+123.8℃；3）濕度測(cè)量精度：±2.0%RH；4）溫度測(cè)量精度：±0.3 ℃；5）響應(yīng)時(shí)間：8 s（tau63%）；6）可完全浸沒。

由于該款溫濕度傳感器具有高精度，并能浸入水中測(cè)量等特點(diǎn)，而所設(shè)計(jì)的測(cè)氡儀要求具有測(cè)量土壤、大氣，水中氡濃度的功能，因此采用該款溫濕度傳感器完全滿足要求。

1.3 SHT15內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD（LCC）表面貼片封裝形式[5]，如圖1所示。其中引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2.4～5.5 VDC，為了達(dá)到傳感器的最高精確度，供電電壓為3.3 V為宜。引腳2為數(shù)據(jù)線，引腳3為時(shí)鐘線，引腳5～8為空管腳。

圖1 SHT15引腳圖Fig.1 Pin map of SHT15

數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SHT15內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structural of SHT15

該芯片包括1個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和1個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入1個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT15在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中，在測(cè)量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。此外，SHT15內(nèi)部還集成了1個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT15的溫度升高5℃左右，同時(shí)功耗也會(huì)有所增加。此功能主要是為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕（>95%RH）環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT15溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。

2 硬件設(shè)計(jì)

微處理器可通過二線串行數(shù)字接口與SHT15進(jìn)行通信，由于其通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議不兼容[2]，所以在設(shè)計(jì)時(shí)直接利用S3C2440A的通用I/O口來模擬通信時(shí)序控制SHT15。 S3C2440A 有 130個(gè)通用 I/O 口[3，6]，共分為 9 組（GPAGPJ），其中GPG包括16路I/O口。S3C2440A引腳采用289－FBGA封裝，GPG9及GPG10對(duì)應(yīng)引腳功能圖如表1所示。

表1 S3C2440A 289引腳FBGA的管腳分配表（部分）Tab.1 S3C2440A 289-pin FBGA pin assignments（Part）

設(shè)計(jì)中利用S3C2440A的GPG9模擬時(shí)鐘信號(hào)，GPG10來模擬數(shù)據(jù)信號(hào)（數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻），硬件連接圖如圖3所示。

圖3 微控制器與SHT15的硬件連接圖Fig.3 Hardware circuit connection diagram of micro-process and SHT15

3 軟件設(shè)計(jì)

在程序開始，控制器S3C2440A需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟痆5]。它包括：當(dāng)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖降膯?dòng)，如圖4所示，隨后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?，SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。

圖4 啟動(dòng)傳輸時(shí)序Fig.4 Sequence of transmission start

控制器發(fā)出啟動(dòng)命令后，接著發(fā)出一個(gè)后續(xù)8為命令碼。后續(xù)命令包含3個(gè)地址位（目前只支持“000”）和5個(gè)命令位。相應(yīng)代碼對(duì)應(yīng)的命令集如表2所示。

表2 SHT15命令集Tab.2 Command set of SHT15

SHT15接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機(jī)的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，從機(jī)釋放DATA（恢復(fù)高電平）總線；釋放總線后，從機(jī)開始測(cè)量當(dāng)前濕度，測(cè)量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，得知濕度測(cè)量已經(jīng)結(jié)束，給出SCK時(shí)鐘信號(hào)；從機(jī)在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，主機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)。然后釋放總線DATA；在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，從機(jī)發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號(hào)；最后8個(gè)SCK下降沿從機(jī)發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，主機(jī)不予應(yīng)答（NACK）則表示測(cè)量結(jié)束。

本設(shè)計(jì)中微處理器為三星公司的S3C2440A，通過對(duì)I/O寄存器編程來模擬通信過程。該處理器的I/O口可根據(jù)需要設(shè)置成輸入、輸出，高阻等狀態(tài)。在軟件實(shí)現(xiàn)過程中通過子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)I/O口狀態(tài)的改變。

//設(shè)置時(shí)鐘為輸入

void SHT_SCK_In（）{

rGPGCON=rGPGCON & （～（0X1 ＜＜18）） & （～（0X1＜＜19））；

}

//設(shè)置時(shí)鐘為輸出

void SHT_SCK_Out（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜19）） ｜（0x1＜＜18）；

}

//設(shè)置數(shù)據(jù)信號(hào)為輸入

void SHT_DATA_In（） {

rGPGCON=rGPGCON & （～（0X1 ＜＜20）） & （～（0X1＜＜21））；

}

//設(shè)置數(shù)據(jù)信號(hào)為輸出

void SHT_DATA_Out（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

}

//DATA為低電平

void SHT_DATA_CLR（）{

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

rGPGDAT=rGPGDAT& （～（0X1＜＜10））；

}

//DATA為高電平

void SHT_DATA_SET（） {

rGPGCON=rGPGCON& （～（0x1＜＜21）） ｜（0x1＜＜20）；

rGPGDAT=rGPGDAT ｜（0X1＜＜10）；

}

以上函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)SCK和DATA總線的各種輸入與輸出狀態(tài)。在SHT15的通信中還需要延時(shí)函數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)采用函數(shù)void Delay1ms（U32 tt）實(shí)現(xiàn)軟延時(shí)。這樣就能完成對(duì)SHT15通信協(xié)議的模擬。

Void Delay1ms（U32 tt） {

U32 i；

for（；tt>0；tt－－） {

for（i=0；i＜26000；i++）{}

}

}

4 溫濕度及露點(diǎn)的計(jì)算

4.1 相對(duì)濕度

SHT15可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，其相對(duì)濕度系數(shù)輸出特性曲線如圖5所示。

圖5 從SORH轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度圖Fig.5 Conversion from SORHto relative humidity

由圖5可知，SHT15的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采用式（1）來修正輸出數(shù)值。

其中 C1，C2，C3的值如表 3所示，SHT15的相對(duì)濕度輸出值（SORH）為 12 bit。

表3 濕度線性補(bǔ)償系數(shù)Tab.3 Humidity conversion coefficients

4.2 溫度計(jì)算及相對(duì)濕度的溫度補(bǔ)償

該溫濕度傳感器具有很好的線性，可用式（2）將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值。溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)如表4所示。

表4 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.4 Temperature conversion coefficients

實(shí)際測(cè)量時(shí)利用式（3）修正溫度系數(shù)。溫度補(bǔ)償系數(shù)如表5所示。

表5 溫度補(bǔ)償系數(shù)Tab.5 Temperature compensation coefficients

4.3 露點(diǎn)計(jì)算

露點(diǎn)是一個(gè)特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，空氣容納不了過多的水份，這些水份會(huì)變成霧、露水或霜。露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前相對(duì)濕度值和溫度值計(jì)算得出，具體的計(jì)算公式如下：

式中，T為當(dāng)前溫度值，SORH為相對(duì)濕度值，Dp為露點(diǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用測(cè)氡儀對(duì)室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量溫濕度，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在不同地方對(duì)大氣中進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)測(cè)量測(cè)試為20次，求平均值計(jì)算，測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 氡濃度及溫濕度測(cè)量值Tab.6 The measurements of radon concentration，temperature and humidity

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并詳細(xì)介紹了測(cè)氡儀溫濕度測(cè)控模塊的設(shè)計(jì)過程。由于SHT15集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字輸出，具有精度高、體積小、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。作為測(cè)氡儀溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。該設(shè)計(jì)也為其在其他監(jiān)控設(shè)備中的應(yīng)用提供參考作用。

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