摘 要：本文介绍了数字式相对湿度和温度传感器SHT71。该传感器具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的 特点。文中对传感器的性能特点、接口时序与命令进行了阐述，并给出了与单片机的接口电路。

关键词：数字式 温湿度传感器 单片机

引言

温湿度的测量在仓储管理、工业生产制造、智能化建筑、科学研究及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需要经过复杂的校准、标定过程，测量精度难以得到保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。

SHT71的性能特点

⑴温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）；
⑵全校准相对湿度及温度值输出；
⑶工业标准I2C总线数字输出接口；
⑷具有露点值计算输出功能；
⑸免外围元件；
⑹卓越的长期稳定性；
⑺湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至12位和8位；
⑻可靠的CRC数据传输校验功能；
⑼片内装载的校准系数，保证100%的互换性。
⑽电源电压：2.4V～5.5V;
⑾电流消耗:测量550 A，平均28 A，睡眠0.3 A。
SHT71可通过I2C总线直接输出数字量温湿度值。SHT71的封装形式为小体积4脚单线封装，其引脚说明如下：⑴SCK：串行时钟输入；⑵VDD：2.4～5.5V电源端；⑶GND：接地端；⑷DATA：双向串行数据线。
SHT71工作原理
内部结构及技术特点
SHT71数字式温湿度传感器的内部结构框图如图1所示。SHT71传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器，它采用了特有的工业化的CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性，整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，此外还具有一个I2C总线串行接口电路，每一个传感器都是在极为精确的湿度室中进行校准的，校准系数预先存在传感器OTP内存中，在测量校准的全过程都要用到这些系数。
CMOSens技术的优势首先在于，利用具有不同保护下的"微型结构"检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自外界的影响而对传感器进行保护，即使将传感器浸入到液体中也不会对传感器造成损害，同时还将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体，这就可使测量精度提高并且可以精确得出露点值，而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。
其次将传感器元件、信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、I2C总线等外围调理电路，全部与温湿度传感器集成在了一个只有几平方毫米的芯片上，因此、其优势是显而易见的，由于传感器与信号放大器合为一体，这不仅使信号强度增加、抗干扰性能增强，且长期稳定性也得到了保证，集成在一起的模/数转换器，可降低系统的噪声干扰。尤为重要的是每一只传感器芯片内装载的针对该芯片传感器的校准数据，保证了每一只湿度传感器输出的一致性，使得湿度传感器可以100%的互换，同时还具有反应迅速（4S at 1/e）、高精度（0~90RH 3%）、低功耗的特点。最后传感器可以直接通过I2C总线与任何种类微处理器、微控制器系统接口，从而减少了传感器接口开发时间及降低了硬件成本。
测量数据处理
为了将SHT71输出的数字量转换成实际物理量需进行相应的数据处理。
⑴湿度变换
SHT71的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正湿度值：
RHlinear=c1＋c2·SORH＋c3·SORH2
式中SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
12位SORH ：c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6
8位SORH： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4
⑵温度补偿
上述湿度计算公式是按环境温度为25℃进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。
RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
当SORH为12位时t1=0.01；t2=0.00008，当SORH为8位时，t2=0.00128
⑶温度变换
由设计决定的SHT71温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：
温度=d1＋d2*SOT
当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时，d1=-40,d2=0.01，当温度传感器的分辨率为12位时，d1=-40,d2=0.04。
⑷露点值计算
空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式计算:
LogEW=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2）
Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077）
命令与接口时序
SHT71传感器共有5条用户命令，具体命令格式见表1。
下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。
⑴传输开始
初始化传输时，应发出"传输开始"命令，命令包括SCK为高时，DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。
后一个命令顺序包含三个地址位（目前只支持"000"）和5个命令位，通过DATA脚的ack位处于低电位表示SHT71正确收到命令。
⑵连接复位顺序
如果与SHT71传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：
当使DATA线处于高电平时，触发SCK 9次以上（含9次），并随后发一个前述的"传输开始"命令。
⑶温湿度测量时序
当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210毫秒。为表明测量完成，SHT71会使数据线为低，此时控制器必须重新启动SCK。然后传送两字节测量数据与1字节CRC校验和。控制器必须通过使DATA为低来确认每一字节，所有的量中从右算MSB列于第一位。通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC-8校验和，则控制器就会在测量数据LSB后，保持ACK为高来停止通讯，SHT71在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是，为使SHT71温升低于0.1℃,则此时工作频率不能大于15%（如：12位精确度时，每秒最多进行3次测量）。
应用说明
⑴硬件接口电路
这里以AT89C2051单片机为例给出SHT71与单片机的接口电路如图3所示。由于AT89C2051不具备I2C总线接口，故使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线，利用P1.0来虚拟时钟线，利用P1.1口线来虚拟数据线DATA，并在DATA端接入一只4.7K的上拉电阻，同时在VDD及GND端接入一只0.1 f的去耦电容。
⑵运行条件
测量量程以外的温度会使湿度信号暂时偏移＋3%。传感器会慢慢返回到校准条件。但是若将芯片在湿度<5%环境下，加热24小时到90℃时，就会迅速地将高相对湿度、高温度环境的影响进行恢复，延长强度条件会加速芯片的老化。
⑶安装注意事项
由于大气的相对湿度与温度的关系密切，因此测量大气温度时的要点是将传感器与大气保持同一温度，如果传感器线路板上有发热元件SHT71应远离热源并保持好良好的通风，为减少SHT71和PCB之间的热传导，应使铜导线最细并在其中加上窄缝。同时应避免使传感器在强光或UV下曝晒。
结束语
SHT71是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型传感器，该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到一个高集成度、体积极小的芯片当中，实现了温湿度传感器的数字式输出、且免调试、免标定、免外围电路。极大方便了温湿度传感器在嵌入式测控领域的应用，因而该传感器在数字式温湿度测控领域有着广泛的应用前景。同时该传感器也代表了传感器技术的发展方向。