摘要 設(shè)計了基于I2C總線接口的全校準數(shù)字式相對濕度、溫度傳感器和環(huán)境光三合一傳感器。其具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路，提供I2C數(shù)字接口以及8～12位溫度感測、濕度感測和22位超寬光動態(tài)范圍的特點。傳感器IC設(shè)計工作在3．3 V供電，滿負荷工作時僅消耗20μA電流，休眠電流為0．3μA。針對傳感器的性能特點、接口時序與命令進行了闡述，給出了與單片機的接口電路及相應程序。實時監(jiān)測表明，其具有精度高、成本低、體積小、接口簡單的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞 數(shù)字電路；溫濕度；光傳感器；I2C總線

    在對環(huán)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、濕度和光照度。這種測量方法一般要設(shè)計相應的信號調(diào)理電路，還要經(jīng)過復雜的標定過程，測量精度難以保證。當對兩個以上的參數(shù)進行監(jiān)測時，每一個測量點都必須使用獨立傳感器和獨立的信號調(diào)理電路，這不僅使得測量系統(tǒng)的成本和體積大幅提高，也在一定程度上增加了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性。本設(shè)計采用SHT11溫濕度傳感器芯片和一款集成了ADC的環(huán)境光傳感器MAX9635，實現(xiàn)溫、濕度及光照三合一傳感器設(shè)計。

1 三合一傳感器簡介
    該傳感器集環(huán)境溫、濕度和光照度傳感器于一體，使測量系統(tǒng)的成本和體積大為降低，減少了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性。
1．1 溫濕度測量
    環(huán)境溫度、濕度測量采用SHT11數(shù)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(shù)字串行接口，接口簡單。(3)測量精度可編程調(diào)節(jié)。(4)測量精確度高，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算。(5)測量和通信結(jié)束后，自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)14位A／D轉(zhuǎn)換后；由二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。在測量過程中，校準系數(shù)會自動校準來自傳感器的信號。
    由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其他類型濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性。傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)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(huán)境光傳感器采用集成了光電二極管和ADC，且提供I2C數(shù)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(tài)范圍為0．045～188 000 lx。片內(nèi)自動量程調(diào)整機制無需用戶干涉增益范圍的設(shè)置。

2 溫濕度工作時序
    SHT11的I2C通訊數(shù)據(jù)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?yōu)榈碗娖?，并在下一個SCK為高時將SDA升高，如圖1所示。

    (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，其后為應答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(fā)出了溫／濕度測量命令后，控制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)。當測量完成后，SHT11將數(shù)據(jù)線拉低，然后傳送2 Byte的測量數(shù)據(jù)與1 Byte CRC校驗和。通訊在確認CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC校驗和，則控制器就會在測量數(shù)據(jù)LSB后保持ACK為高來停止通訊，測量和通訊完成后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(tài)寄存器實現(xiàn)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(fā)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個時鐘位，是傳感器IC對其接收的每個數(shù)據(jù)字節(jié)的握手信號，如圖4所示。如果成功接收主機發(fā)送確認，若數(shù)據(jù)傳輸失敗，總線主機會重試通信。每次讀取字節(jié)后，主機均發(fā)送應答信號，使數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸。當主機從傳感器IC讀取數(shù)據(jù)的最后Byte時，發(fā)送非應答，隨后是Stop。
    寫數(shù)據(jù)格式：圖4所示為向傳感器IC寫入1個字節(jié)數(shù)據(jù)時的正確幀格式。

    讀數(shù)據(jù)格式：圖5所示為讀1 Byte數(shù)據(jù)時的正確幀格式。
    寄存器定義：0x00和0x01中斷狀態(tài)與中斷使能；0x02功能配置；0x03和0x04存放流明讀數(shù)；0x05和0x06中設(shè)置流明上限和流明下限；0x07中設(shè)置適當?shù)拈T限定時器數(shù)據(jù)。
    自動量程調(diào)整模式：自動模式配置下，自動量程調(diào)整電路采用兩種方法改變其靈敏度。光照超過700 lx時，分流器通過除以系數(shù)8來降低光電二極管的電流。默認設(shè)置下，分流比為1，電流直接送入A／D轉(zhuǎn)換器。當光強降低時，自動量程調(diào)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(zhuǎn)換范圍比其16位標稱范圍提高8倍，或降低8倍。從而獲得22位或略高于4 000 000：1的動態(tài)范圍。
    流明讀數(shù)的數(shù)據(jù)格式：傳感器IC提供用戶易于接收的數(shù)字輸出格式。它由4位指數(shù)和隨后的8位尾數(shù)組成。在最高靈敏度模式下，1個計數(shù)值表示0．045 lx。尾數(shù)最大值為255，指數(shù)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(shù)為188 000 lx，大于該值的任何讀數(shù)均被認為是過載。
    門限寄存器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。寄存器0x05和0x06中的上限和下限數(shù)值必須與高字節(jié)流明格式相匹配，由4位指數(shù)和尾數(shù)的4個最高有效位組成。

4 三合一傳感器的應用設(shè)計
    微處理器采用二線串行數(shù)字接口和傳感器進行通信，硬件接口非常簡單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家定義的，所以在軟件設(shè)計中，需要用微處理器通用I／O口模擬通信協(xié)議。
4．1 硬件設(shè)計
   硬件連接如圖6所示。

4．2 軟件設(shè)計
    由于SHT11和MAX9635的二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議不兼容。必須使用GTIO口模擬出如圖4和圖5所示的數(shù)據(jù)格式。

    基于以上宏定義，可以方便地使SCK和SDA總線輸出持續(xù)一定時間的高電平或低電平，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值為“相對濕度”，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值?？砂词?1)修正濕度值。
   
    式中，RHlinear為經(jīng)過線性補償后的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1，C2和C3為線性補償系數(shù)，取值如表3所示。

    由于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。
   
    式中，RHtrue為經(jīng)過線性補償和溫度補償后的濕度值；T為測試濕度值時的溫度；t1和t2為溫度補償系數(shù)，取值如表4所示。

4．3．2 溫度值輸出
    由于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為特定系數(shù)。d1的取值與SHT11工作電壓有關(guān)，d2的取值則與SHT11內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)，其對應關(guān)系分別如表5和表6所示。

5 結(jié)束語
    該傳感器集溫度傳感器、濕度傳感器和環(huán)境光傳感器于一體，可用于對環(huán)境溫、濕度和光照度實時監(jiān)測，具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點；由于芯片采用采用數(shù)字信號輸出，因此抗干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(tài)范圍、免調(diào)試和自動量程調(diào)整的特點，無需用戶干涉增益范圍的設(shè)置。因此，該傳感器在對溫室、汽車等環(huán)境溫濕度、光監(jiān)測和其他自動控制等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應用。