中心議題：

• 溫
  、濕度及光照三合一傳感器設計

解決方案：

• 溫濕度傳感器工作時序
• 光傳感器I2C通訊格式
• 溫、濕度及光照三合一傳感器應用設計

在對環境溫度、濕度和光照度進行測量時


，大多使用熱敏電阻、濕敏電容和光敏器件來分別測量溫度、濕(shi)度(du)和(he)光(guang)照(zhao)度(du)。這(zhe)種(zhong)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)一(yi)般(ban)要(yao)設(she)計(ji)相(xiang)應(ying)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)，還(hai)要(yao)經(jing)過(guo)複(fu)雜(za)的(de)標(biao)定(ding)過(guo)程(cheng)，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)難(nan)以(yi)保(bao)證(zheng)。當(dang)對(dui)兩(liang)個(ge)以(yi)上(shang)的(de)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)監(jian)測(ce)時(shi)
，每(mei)一(yi)個(ge)測(ce)量(liang)點(dian)都(dou)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)獨(du)立(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)獨(du)立(li)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)，這(zhe)不(bu)僅(jin)使(shi)得(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)體(ti)積(ji)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)，也(ye)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)增(zeng)加(jia)了(le)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)。本(ben)設(she)計(ji)采(cai)用(yong)SHT11溫濕度傳感器芯片和一款集成了ADC的環境光傳感器MAX9635，實現溫、濕度及光照三合一傳感器設計。

1 三合一傳感器簡介

該傳感器集環境溫

、濕度和光照度傳感器於一體，使測量係統的成本和體積大為降低，減少了係統設計的複雜性。

1．1 溫濕度測量
環境溫度、濕度測量采用SHT11數字溫濕度傳感器芯片。其主要特點有：(1)高度集成。(2)提供二線數字串行接口，接口簡單。(3)測量精度可編程調節。(4)測量精確度高
，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算。(5)測量和通信結束後，自動轉入低功耗模式。(6)高可靠性，自校準。

SHT11將溫度、濕度感測、A／D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上

，該芯片分別將濕度和溫度轉換成電信號，經14位A／D轉換後
；由二線串行數字接口輸出數字信號。在測量過程中，校準係數會自動校準來自傳感器的信號。

由you於yu將jiang傳chuan感gan器qi與yu電dian路lu部bu分fen結jie合he在zai一yi起qi
，因yin此ci，該gai傳chuan感gan器qi具ju有you比bi其qi他ta類lei型xing濕shi度du傳chuan感gan器qi優you越yue得de多duo的de性xing能neng。首shou先xian是shi傳chuan感gan器qi信xin號hao強qiang度du的de增zeng加jia增zeng強qiang了le傳chuan感gan器qi的de抗kang幹gan擾rao性xing能neng，保bao證zheng了le傳chuan感gan器qi的de長chang期qi穩wen定ding性xing。傳chuan感gan器qi可ke直zhi接jie通tong過guoI2C總線與任何類型的微處理器
、微控製器係統連接，從而減少了接口電路的硬件成本
，簡化了接口方式。

1．2 光照度測量
環境光傳感器采用集成了光電二極管和ADC，且提供I2C數字接口的光傳感器MAX9635。傳感器IC具有超低電流損耗(典型值為0．65μA)和極寬的光動態範圍為0．045～188 000 lx。片內自動量程調整機製無需用戶幹涉增益範圍的設置。

2 溫濕度傳感器工作時序

SHT11的I2C通訊數據格式與普通格式不兼容。

(1)傳輸開始。在SCK為高時使SDA由高電平變為低電平，並在下一個SCK為高時將SDA升高，如圖1所示。

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(2)地址與測試對象命令。該命令包含3個地址位和5個命令位
，其後為應答ACK位，表示SHT11正確收到命令。傳感器命令列表

，如表2所示。

(3)溫濕度測量時序。當發出了溫／濕度測量命令後
，控製器就要等到測量完成(使用8／12／14位的分辨率測量分別需要大約11／55／210 ms)。當測量完成後，SHT11將數據線拉低，然後傳送2 Byte的測量數據與1 Byte CRC校驗和。通訊在確認CRC數據位後停止。如果沒有用CRC校驗和，則控製器就會在測量數據LSB後保持ACK為高來停止通訊
，測量和通訊完成後會自動返回睡眠模式。測量溫度和濕度命令所對應的時序見SHT11說明書。
(4)溫濕度寄存器配置。溫濕度傳感器中一些高級功能是通過狀態寄存器實現的。寄存器中各位的類型及說明詳見SHT11使用說明書。

3 光傳感器I2C通訊格式

Start和Stop條件：主機通過發送Start條件啟動通信，Start、Repeated Start條件如圖2所示，Stop條件如圖3所示。

從地址：寫操作從地址0x94，讀操作0x95。

應答：寫操作模式下，應答位(ACK)是第9個時鍾位，是傳感器IC對其接收的每個數據字節的握手信號，如圖4所(suo)示(shi)。如(ru)果(guo)成(cheng)功(gong)接(jie)收(shou)主(zhu)機(ji)發(fa)送(song)確(que)認(ren)，若(ruo)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)失(shi)敗(bai)，總(zong)線(xian)主(zhu)機(ji)會(hui)重(zhong)試(shi)通(tong)信(xin)。每(mei)次(ci)讀(du)取(qu)字(zi)節(jie)後(hou)，主(zhu)機(ji)均(jun)發(fa)送(song)應(ying)答(da)信(xin)號(hao)，使(shi)數(shu)據(ju)繼(ji)續(xu)傳(chuan)輸(shu)。當(dang)主(zhu)機(ji)從(cong)傳(chuan)感(gan)器(qi)IC讀取數據的最後Byte時，發送非應答

，隨後是Stop。

寫數據格式：圖4所示為向傳感器IC寫入1個字節數據時的正確幀格式。 　　

讀數據格式：圖5所示為讀1 Byte數據時的正確幀格式。

寄存器定義：0x00和0x01中斷狀態與中斷使能；0x02功能配置；0x03和0x04存放流明讀數；0x05和0x06中設置流明上限和流明下限
；0x07中設置適當的門限定時器數據。

自動量程調整模式：自動模式配置下，自動量程調整電路采用兩種方法改變其靈敏度。光照超過700 lx時
，分流器通過除以係數8來降低光電二極管的電流。默認設置下，分流比為1，電流直接送入A／D轉換器。當光強降低時
，自動量程調整電路將積分時間從100 ms提高到200 ms
、400 ms或800 ms。分流器和不同積分時間相組合，可使A／D轉換範圍比其16位標稱範圍提高8倍，或降低8倍。從而獲得22位或略高於4 000 000：1的動態範圍。

流明讀數的數據格式：傳感器IC提供用戶易於接收的數字輸出格式。它由4位指數和隨後的8位尾數組成。在最高靈敏度模式下
，1個計數值表示0．045 lx。尾數最大值為255，指數最大值為14。所以，最大量程為255×214=4 177 920。在此模式下，最大讀數為188 000 lx，大於該值的任何讀數均被認為是過載。

門限寄存器數據格式：傳感器IC中斷電路要求按照特定格式給出上限和下限，以便正確解析數據。寄存器0x05和0x06中的上限和下限數值必須與高字節流明格式相匹配
，由4位指數和尾數的4個最高有效位組成。
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4 三合一傳感器的應用設計

微處理器采用二線串行數字接口和傳感器進行通信，硬件接口非常簡單；然而，通信協議是芯片廠家定義的，所以在軟件設計中，需要用微處理器通用I／O口模擬通信協議.

4．1 硬件設計
硬件連接如圖6所示。

4．2 軟件設計
由於SHT11和MAX9635的二線串行通信協議和I2C協議不兼容。必須使用GTIO口模擬出如圖4和圖5所示的數據格式。

基於以上宏定義，可以方便地使SCK和SDA總線輸出持續一定時間的高電平或低電平，從而實現傳感器的讀寫。

4．3 溫度
、濕度光照值的計算

4．3．1 濕度線性補償和溫度補償
SHT11可通過SDA數據總線直接輸出數字量濕度值為“相對濕度”，需要進行線性補償和溫度補償後才能得到較為準確的濕度值。可按式(1)修正濕度值。

式中，RHlinear為經過線性補償後的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1，C2和C3為線性補償係數，取值如表3所示。 　

由於溫度對濕度的影響十分明顯
，而實際溫度和測試參考溫度25℃有所不同。補償公式如式(2)所示。

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式中，RHtrue為經過線性補償和溫度補償後的濕度值；T為測試濕度值時的溫度；t1和t2為溫度補償係數，取值如表4所示。

4．3．2 溫度值輸出
由於SHT11具有較好的線性輸出。實際溫度值可由式(3)算得。

式中，d1和d2為特定係數。d1的取值與SHT11工作電壓有關，d2的取值則與SHT11內部A／D轉換器采用的分辨率有關
，其對應關係分別如表5和表6所示。

5 結束語

該傳感器集溫度傳感器、濕度傳感器和環境光傳感器於一體
，可用於對環境溫、濕度和光照度實時監測，具有精度高
、成本低、體積小、接口簡單等優點；由於芯片采用采用數字信號輸出，因此抗幹擾能力比同類芯片高。傳感器IC具有超低電流損耗、極寬的光動態範圍、免調試和自動量程調整的特點，無需用戶幹涉增益範圍的設置。因此，該傳感器在對溫室

、汽車等環境溫濕度
、光監測和其他自動控製等領域將得到廣泛應用。