1 SHT15简介
1．1 SHT15性能特点
SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。其主要特点如下：
1)将温湿度感测、信号变换、A／D转换和I2C总线接口等功能集成到一个芯片上；
2)提供两线数字串行接口SCK和DATA，并支持CRC传输校验；
3)测量精度可编程调节，内置A／D转换器；
4)提供温度补偿和湿度测量值以及高质量的露点计算功能；
5)由于采用了CMOSensTM技术，可浸入水中进行测量。
1．2 SHT15性能参数
SHT15的性能参数如下：
1)湿度测量范围：0～100％RH；2)温度测量范围：-40～+123．8℃；3)湿度测量精度：±2．0％RH；4)温度测量精度：±0．3℃；5)响应时间：8 s(tau63％)；6)可完全浸没。
由于该款温湿度传感器具有高精度，并能浸入水中测量等特点，而所设计的测氡仪要求具有测量土壤、大气，水中氡浓度的功能，因此采用该款温湿度传感器完全满足要求。
1．3 SHT15内部结构及工作原理
数字式温湿度传感器SHT15是8引脚SMD(LCC)表面贴片封装形式，如图1所示。其中引脚1接地，引脚4接电源，工作电压为2．4～5．5 VDC，为了达到传感器的最高精确度，供电电压为3．3 V为宜。引脚2为数据线，引脚3为时钟线，引脚5～8为空管脚。
数字式温湿度传感器SHT15将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图2所示。
该芯片包括1个电容性聚合体湿度敏感元件和1个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入1个14位的A／D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT15在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中，在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT15内部还集成了1个加热元件，加热元件接通后可以将SHT15的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要是为了比较加热前后的温度和湿度值。可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(>95％RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT15温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。
2 硬件设计
微处理器可通过二线串行数字接口与SHT15进行通信，由于其通信协议与通用的I2C总线协议不兼容，所以在设计时直接利用S3C2440A的通用I／O口来模拟通信时序控制SHT15。S3C2440A有130个通用I／O口，共分为9组(GPAGPJ)，其中GPG包括16路I／O口。S3C2440A引脚采用289 -FBGA封装，GPG9及GPG10对应引脚功能图如表1所示。
设计中利用S3C2440A的GPG9模拟时钟信号，GPG10来模拟数据信号(数据线需要外接上拉电阻)，硬件连接图如图3所示。
3 软件设计
在程序开始，控制器S3C2440A需要用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平的启动，如图4所示，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。接着SCK变为低电平，随后又变为高电平，SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。
控制器发出启动命令后，接着发出一个后续8为命令码。后续命令包含3个地址位(目前只支持"000"’)和5个命令位。相应代码对应的命令集如表2所示。
SHT15接收到上述地址和命令码后，在第8个时钟下降沿，将DATA下拉为低电平作为从机的ACK；在第9个时钟下降沿之后，从机释放DATA(恢复高电平)总线；释放总线后，从机开始测量当前湿度，测量结束后，再次将DATA总线拉为低电平；主机检测到DATA总线被拉低后，得知湿度测量已经结束，给出SCK时钟信号；从机在第8个时钟下降沿，先输出高字节数据；在第9个时钟下降沿，主机将DATA总线拉低作为ACK信号。然后释放总线DATA；在随后8个SCK周期下降沿，从机发出低字节数据；接下来的SCK下降沿，主机再次将DATA总线拉低作为接收数据的ACK信号；最后8个SCK下降沿从机发出CRC校验数据，主机不予应答(NACK)则表示测量结束。
本设计中微处理器为三星公司的S3C2440A，通过对I／O寄存器编程来模拟通信过程。该处理器的I／O口可根据需要设置成输入、输出，高阻等状态。在软件实现过程中通过子函数来实现I／O口状态的改变。
以上函数可以实现SCK和DATA总线的各种输入与输出状态。在SHT15的通信中还需要延时函数，设计时采用函数void DelaylIn8(U32 tt)实现软延时。这样就能完成对SHT15通信协议的模拟。
4 温湿度及露点的计算
4．1 相对湿度
SHT15可通过I2C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度系数输出特性曲线如图5所示。
由图5可知，SHT15的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器非线性以获取准确数据，采用式(1)来修正输出数值。
其中C1，C2，C3的值如表3所示，SHT15的相对湿度输出值(SORH)为12 bit。
温湿度传感器SHT15及其在嵌入式系统中的应用
4．2 温度计算及相对湿度的温度补偿
该温湿度传感器具有很好的线性，可用式(2)将数字输出转换为温度值。温度转换系数如表4所示。
实际测量时利用式(3)修正温度系数。温度补偿系数如表5所示。
4．3 露点计算
露点是一个特殊的温度值，是空气保持某一定湿度必须达到的最低温度。当空气的温度低于露点时，空气容纳不了过多的水份，这些水份会变成雾、露水或霜。露点可以根据当前相对湿度值和温度值计算得出，具体的计算公式如下：
式中，T为当前温度值，SORH为相对湿度值，Dp为露点。
5 实验结果
采用测氡仪对室内氡浓度进行测量，同时测量温湿度，为了保证测量的准确性，在不同地方对大气中进行了测量，同时测量测试为20次，求平均值计算，测量结果如表6所示。
6 结束语
本文提出了数字式温湿度传感器SHT15在嵌入式系统中的应用方案，并详细介绍了测氡仪温湿度测控模块的设计过程。由于SHT15集成了14位A／D转换器，采用数字输出，具有精度高、体积小、抗干扰性强等优点。作为测氡仪温湿度的监控系统，能够满足系统设计的要求。该设计也为其在其他监控设备中的应用提供参考作用。
