王冬霞，張玉輝，洪耀球

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

氡及其子體的測量是一個涵蓋智能儀器、核輻射探測、核技術應用、環(huán)境評價、工業(yè)計量、工業(yè)自動化、計算機通信與軟件等多領域的問題。然而氡及其子體濃度受溫濕度的影響很大[1，4]，因此溫濕度的測量對于測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調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，所以測量精度難以保證[1]。由某公司生產的SHT15單芯片傳感器，是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術（CMOSens），確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件，并與1個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。因此，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[5]。系統(tǒng)采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內核，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設，有130個多功能輸入/輸出端口[3，6]，所以在設計時直接利用S3C2440A的通用 I/O口來模擬通信時序控制SHT15，整個電路設計簡單。

1 SHT15簡介

1.1 SHT15性能特點

SHTl5是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。其主要特點如下：

1）將溫濕度感測、信號變換、A/D轉換和I2C總線接口等功能集成到一個芯片上；

2）提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，并支持CRC傳輸校驗；

3）測量精度可編程調節(jié)，內置A/D轉換器；

4）提供溫度補償和濕度測量值以及高質量的露點計算功能；

5）由于采用了CMOSensTM技術，可浸入水中進行測量。

1.2 SHT15性能參數(shù)

SHT15的性能參數(shù)如下：

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

由于該款溫濕度傳感器具有高精度，并能浸入水中測量等特點，而所設計的測氡儀要求具有測量土壤、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內部結構及工作原理

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、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內部結構如圖2所示。

圖2 SHT15內部結構圖Fig.2 Internal structural of SHT15

該芯片包括1個電容性聚合體濕度敏感元件和1個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入1個14位的A/D轉換器，最后經過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT15在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境中進行校準，校準系數(shù)存儲在校準寄存器中，在測量過程中，校準系數(shù)會自動校準來自傳感器的信號。此外，SHT15內部還集成了1個加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT15的溫度升高5℃左右，同時功耗也會有所增加。此功能主要是為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕（>95%RH）環(huán)境中，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時縮短響應時間，提高精度。加熱后SHT15溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。

2 硬件設計

微處理器可通過二線串行數(shù)字接口與SHT15進行通信，由于其通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議不兼容[2]，所以在設計時直接利用S3C2440A的通用I/O口來模擬通信時序控制SHT15。 S3C2440A 有 130個通用 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對應引腳功能圖如表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）

設計中利用S3C2440A的GPG9模擬時鐘信號，GPG10來模擬數(shù)據(jù)信號（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 軟件設計

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

圖4 啟動傳輸時序Fig.4 Sequence of transmission start

控制器發(fā)出啟動命令后，接著發(fā)出一個后續(xù)8為命令碼。后續(xù)命令包含3個地址位（目前只支持“000”）和5個命令位。相應代碼對應的命令集如表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個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK；在第9個時鐘下降沿之后，從機釋放DATA（恢復高電平）總線；釋放總線后，從機開始測量當前濕度，測量結束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機檢測到DATA總線被拉低后，得知濕度測量已經結束，給出SCK時鐘信號；從機在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個時鐘下降沿，主機將DATA總線拉低作為ACK信號。然后釋放總線DATA；在隨后8個SCK周期下降沿，從機發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號；最后8個SCK下降沿從機發(fā)出CRC校驗數(shù)據(jù)，主機不予應答（NACK）則表示測量結束。

本設計中微處理器為三星公司的S3C2440A，通過對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)需要設置成輸入、輸出，高阻等狀態(tài)。在軟件實現(xiàn)過程中通過子函數(shù)來實現(xiàn)I/O口狀態(tài)的改變。

//設置時鐘為輸入

void SHT_SCK_In（）{

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

}

//設置時鐘為輸出

void SHT_SCK_Out（）{

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

}

//設置數(shù)據(jù)信號為輸入

void SHT_DATA_In（） {

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

}

//設置數(shù)據(jù)信號為輸出

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函數(shù)，設計時采用函數(shù)void Delay1ms（U32 tt）實現(xiàn)軟延時。這樣就能完成對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 溫濕度及露點的計算

4.1 相對濕度

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

圖5 從SORH轉換為相對濕度圖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，為了補償濕度傳感器非線性以獲取準確數(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的相對濕度輸出值（SORH）為 12 bit。

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

4.2 溫度計算及相對濕度的溫度補償

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

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

實際測量時利用式（3）修正溫度系數(shù)。溫度補償系數(shù)如表5所示。

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

4.3 露點計算

露點是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達到的最低溫度。當空氣的溫度低于露點時，空氣容納不了過多的水份，這些水份會變成霧、露水或霜。露點可以根據(jù)當前相對濕度值和溫度值計算得出，具體的計算公式如下：

式中，T為當前溫度值，SORH為相對濕度值，Dp為露點。

5 實驗結果

采用測氡儀對室內氡濃度進行測量，同時測量溫濕度，為了保證測量的準確性，在不同地方對大氣中進行了測量，同時測量測試為20次，求平均值計算，測量結果如表6所示。

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

6 結束語

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

[1] 吳越，方方，周偉，等.基于SHT75的氡室溫濕度測控系統(tǒng)[J].核電子學與探測技術，2008，28（4）：783-785.WU Yue，F(xiàn)ANG Fang，ZHOU Wei，et al.The temperature&humidity measurement and control system for radon chamber based on SHT75 [J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2008，28（4）:783-785.

[2] 李國柱.利用溫濕度傳感器SHTxx實現(xiàn)濕度測量[J].西安文理學院學報：自然科學版，2008，11（01）：101-104.LI Guo-zhu.Measurement of humidity by using temperature and humidity sensor SHTxx[J].Journal of Xi’an University of Arts&Science：Natural Science Editon，2008，11 （01）：101-104.

[3] 熊茂華，楊震倫.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4] 朱景良.氡氣測量和測氡儀器的標定技術研究[D].成都：成都理工大學，2004.

[5] The SENSIRION Company.SHT1X/SHT7X Humidity&Temperature Sensor[EB/OL].[2007-08-15].http://www.sensirion.com/en/pdf/Datasheet_SHT1x_SHT7x.pdf

[6] SUMSUNG Electronics.S3C2440A USER’S MANUAL[EB/OL].[2004-03-15].http://www.samsung.com/global/business/semiconductor/index.html.