SHT10型温湿度传感器工作时序分析及驱动程序与Proteus仿真的实现

一、传感器概述

SHT10型传感器属于SHT1×系列（其他常用型号还有SHT11、SHT15），SHT1×属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质优越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。本篇博文将详细分析传感器的工作时序并根据时序编写驱动程序。最终，该驱动程序将通过Proteus仿真软件进行仿真验证。

 

二、传感器尺寸

 

三、接口定义及电源引脚

（一）接口定义

（二）电源引脚

SHT10的供电电压范围为2.3-5.5V，建议供电电压为3.3V。在电源引脚（VDD与GND）之间必须加一个100nF的电容，用于去耦滤波（在仿真中可加可不加）

SHT10的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C协议进行编址，但是，如果I2C总线上没有挂在别的原件则传感器可以挂载到I2C总线上，但是单片机与传感器之间的通信协议不能采用I2C协议，而是要在按照传感器的协议进行信息交互。

 

四、传感器电气特性

传感器的电气特性（如：高/低电平、输入/输出电压等）受供电电压的影响，下表中的参数在没有特殊说明情况下均代表在5V供电条件下的参数。

下列时序图中，加粗的DATA线由传感器控制，普通的DATA线由单片机控制，有效时间由SCK的时序决定。尤其要注意的是，数据读取的有效时间为前一个切换的下降沿。

     

 

五、传感器的通讯过程及对应的驱动程序

（一）启动传感器

首先，选择供电电压后将传感器通电，商店速率不能低于1V/ms。通电后传感器需要有11ms进入休眠状态，在此之前，不允许单片机对传感器发送任何命令。

在休眠状态之后，要用一组“启动传输”时序。来完成数据传输的初始化。该”启动传输”时序包括：当SCK时钟为高电平时，DATA由高电平反转为低电平，随后是在SCK高电平时DATA由低电平反转为高电平。具体时序图如下：

由上述时序图，可以得到“启动传输”的驱动程序如下：

void Start(void)
{
	sck=0;//电平初始化
	dat=1;
	_nop_();

	sck=1;//第一次电平跳变
	_nop_();
	dat=0;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();

	sck=1;//第二次电平跳变
	_nop_();
	dat=1;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();
}

（二）命令集及“写一字节”程序

在启动程序之后，后续命令包括三个地址位（目前只支持000）和五个命令位。SHT10会以下述方式表示已正确接收指令：在第八个SCK的下降沿之后将DATA下拉为低电平作为ACK位，并在第九个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（恢复高电平）。SHT10的命令集如下图所示。

根据已知命令集，即可通过单总线向传感器发送命令。发送湿度测量命令的工作时序如下图所示：

通过上述时序图所展示的“发送一字节”的工作时序，在“发送一字节数据”的驱动程序中可以采取的思路为：数据线先传送高位后传送低位，取位的方式为mask=0x80与命令值value进行“相与”，之后通过mask<<=1配合循环操作，即可实现将命令值由高位向低位逐位取出。在每取出value的一位后，首先延时一个_op_()  (在12MHz的工作频率下为1us)，使DATA引脚能够建立起稳定的电平，然后使sck产生上升沿并延时两个_nop_()，使传感器读入DATA引脚的数据，然后再恢复sck引脚的低电平，依次循环八次，使传感器读入一字节的命令数据。在读完八位数据之后，使SCK变高电平并检测DATA引脚是否拉低，以检测传感器是否发出了确认信息ACK。然后，再将SCK恢复为低电平。具体驱动程序如下：

uchar Write_byte(uchar value)//先传送高位
{
	uchar i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if(value&0x80)
		{
			dat=1;
		}
		else
		{
			dat=0;
		}
		_nop_();//建立数据线电平
		sck=1;//sck产生上升沿
		_nop_();
		_nop_();
		sck=0;//恢复sck的低电平
		_nop_();
		value<<=1;
	}
	sck=1;//第八个下降沿后（即产生第九个上升沿）判断数据线电平
	_nop_();
	if(dat==0)//如果数据线被拉低，说明传感器响应了
	{
		sck=0;//恢复sck的低电平
		_nop_();
		return 1;	
	}
	sck=0;//恢复sck的低电平
	_nop_();
	return 0;
}

（三）“读一字节”驱动程序

在发布完一组测量命令之后，单片机要等待测量结束，这个过程大约需要10/80/120ms，分别对应8/12/14bit测量，确切时间由内部晶振速度决定，最多有-30%的变化。SHT10通过下拉DATA至电平并进入空闲模式表示测量结束。单片机在再次触发SCK时钟前必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。（默认温度测量14bit,湿度测量12bit），另外，还有一字节的CRC，用于循环冗余校验。湿度测量时序图如下：

根据上述湿度测量时序图可以类推温度测量时序图（区别在于默认情况下温度值比湿度值多2bit），并由时序图可写出具体控制时序，如下：

uchar Read_byte(uchar ack)
{
	uchar i,value,mask=0x80;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		sck=1;
		_nop_();
		if(dat==1)
		{
			value|=mask;
		}
		else
		{
			value&=(~mask);
		}
		sck=0;
		_nop_();
		mask>>=1;
	}	
	if(ack==0)//单片机应答
	{
		dat=0;
	}
	else
	{
		dat=1;
	}
	_nop_();//建立应答/非应答信号电平
	sck=1;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();
	dat=1;//释放数据线
	return value;
}

 

六、测量结果转换

测量结果转换过程中使用的参数与供电电压有关，总控制程序中的转换代码仅适用于5V供电时进行转换，其他工作电压下的转换关系如下图所示：

 

七、总控制程序

/*单片机采用AT89C52工作频率为12MHz，显示单元采用LCD1602液晶屏*/

#include<reg52.h>
#include<intrins.h>

typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;


/**************************全局变量区******************************/
uchar str[4];//储存转换值对应的字符串
int T,Hum;//温湿度值
/**************************位定义区*******************************/																   
sbit RS=P3^3;
sbit RW=P3^4;
sbit E=P3^5;
sbit sck=P3^0;
sbit dat=P3^1;

/**************************子函数声明区**************************/
void Delay(uint n);//延时子函数
void Delay1ms(uint t);//毫秒级延时子函数

void Start(void);//发送一组“启动传输”的时序以完成数据传输的初始化
uchar Write_byte(uchar value);//向传感器写入一个字节
uchar Read_byte(uchar ack);//从传感器读出一个字节(0为应答，1为不应答)
int Get_Tep(void);//读取温度子函数
int Get_Hum(void);//读取湿度子函数
void Change(int x);//把整型数值x转换为字符串

void Write_com(uchar com);//写命令子函数
void Write_dat(uchar dat);//写数据子函数
void Init_1602();//LCD1602初始化子函数
void Show(uchar x,uchar y,uchar *str);//LCD1602显示子函数


/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void main()
{

	Init_1602();//LCD1602初始化
	Delay1ms(11);//上电后度过11ms的休眠状态
	Start();//唤醒
	T=Get_Tep();//获取温度值
	Start();//再次唤醒
	Hum=Get_Hum();//获取湿度值
	Change(Hum);//把湿度值转换为字符串
	Show(1,1,"Hum:");//显示湿度值
	Show(1,5,str);
	Change(T);//把温度值转换为字符串
	Show(2,1,"Temp:");//显示温度值
	Show(2,6,str);
	while(1);
}
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/*********************************延时函数体*****************************/
void Delay(uint n)       //延时函数                       
{ 
    uint x,y;  
    for(x=n;x>0;x--) 
        for(y=110;y>0;y--); 
}
void Delay1ms(uint t)   //毫秒级延时子函数
{
    uchar a,b;
	uint i;
	for(i=0;i<t;i++)
	{
	    for(b=199;b>0;b--)
	        for(a=1;a>0;a--);
	}
}
/********************************启动传输函数体***************************/
void Start(void)
{
	sck=0;//电平初始化
	dat=1;
	_nop_();

	sck=1;//第一次电平跳变
	_nop_();
	dat=0;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();

	sck=1;//第二次电平跳变
	_nop_();
	dat=1;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();
}
/********************************写入一字节函数体************************/
uchar Write_byte(uchar value)//先传送高位
{
	uchar i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if(value&0x80)
		{
			dat=1;
		}
		else
		{
			dat=0;
		}
		_nop_();//建立数据线电平
		sck=1;//sck产生上升沿
		_nop_();
		_nop_();
		sck=0;//恢复sck的低电平
		_nop_();
		value<<=1;
	}
	sck=1;//第八个下降沿后（即产生第九个上升沿）判断数据线电平
	_nop_();
	if(dat==0)//如果数据线被拉低，说明传感器响应了
	{
		sck=0;//恢复sck的低电平
		_nop_();
		return 1;	
	}
	sck=0;//恢复sck的低电平
	_nop_();
	return 0;
}
/********************************读出一字节函数体************************/
uchar Read_byte(uchar ack)
{
	uchar i,value,mask=0x80;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		sck=1;
		_nop_();
		if(dat==1)
		{
			value|=mask;
		}
		else
		{
			value&=(~mask);
		}
		sck=0;
		_nop_();
		mask>>=1;
	}	
	if(ack==0)//单片机应答
	{
		dat=0;
	}
	else
	{
		dat=1;
	}
	_nop_();//建立应答/非应答信号电平
	sck=1;
	_nop_();
	sck=0;
	_nop_();
	dat=1;//释放数据线
	return value;
}
/**********************************获取温度函数体**************************/
int Get_Tep()
{
	int result_l,result_h,check,result;
	float tempt;
	Write_byte(0x03);//读温度命令
	while(dat);//等到传感器转换完数据后把数据线主动拉低
   	result_h=Read_byte(0);//读转换值高八位并应答
	result_l=Read_byte(0);//读转换值低八位并应答
	check=Read_byte(1);//读校验位并非应答
	result=result_h*256+result_l;
	tempt=0.01*result-40.1;//计算温度值（5V供电）
	result=tempt;//对温度值进行四舍五入
	if(tempt-result>=0.5)
	{
		result+=1;
	}
	return result;
}
/**********************************获取温度函数体**************************/
int Get_Hum()
{
	int result_l,result_h,check,result;
	float tempt;
	float t1=0.01f,t2=0.00008f,c1=-2.0468f,c2=0.0367f,c3=-1.5955e-6f;
	Write_byte(0x05);//读湿度命令
	while(dat);//等到传感器转换完数据后把数据线主动拉低
   	result_h=Read_byte(0);//读转换值高八位并应答
	result_l=Read_byte(0);//读转换值低八位并应答
	check=Read_byte(1);//读校验位并非应答
	result=result_h*256+result_l;
	tempt=(T-25)*(t1+t2*result)+(c1+c2*result+c3*result*result)-6;
	result=tempt;//对湿度值进行四舍五入
	if(tempt-result>=0.5)
	{
		result+=1;
	}
	return result;
}
/******************************把整型数据转换为字符串**********************/
void Change(int x)
{
	str[0]=x/100+48;
	str[1]=(x/10)%10+48;
	str[2]=x%10+48;
	str[3]='\0';
}


/********************************写命令函数体****************************/
void Write_com(uchar com)
{
	RS=0;
	P2=com;
	Delay(5);
	E=1;
	Delay(5);
	E=0;
}
/********************************写数据函数体****************************/
void Write_dat(uchar dat)
{
	RS=1;
	P2=dat;
	Delay(5);	 
	E=1;
	Delay(5);
	E=0;
}
/*****************************LCD1602初始化函数体*************************/
void Init_1602()
{
	uchar i=0;
	RW=0;
	Write_com(0x38);//屏幕初始化
	Write_com(0x0c);//打开显示 无光标 无光标闪烁
	Write_com(0x06);//当读或写一个字符是指针后一一位
	Write_com(0x01);//清屏
	Write_com(0x80);//设置位置
}
/*******************************显示内容函数体**************************/
void Show(uchar x,uchar y,uchar *str)
{
	unsigned char addr;
  	if (x==1)
	{
		addr=0x00+y-1; //从第一行、第y列开始显示
	}
	else
	{
		addr=0x40+y-1; //第二行、第y列开始显示
	}					
	Write_com(addr+0x80);
	while (*str!='\0')
	{
		Write_dat(*str++);
	}

}

八、Proteus仿真图的连接及结果

 

 

 

 

左肩理想右肩担当，君子不怨永远不会停下脚步！