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STM32 SHT10温湿度传感器的信号采集

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cowboy2014|  楼主 | 2016-5-15 22:19 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
首先讲讲SHT10这款温室度传感器。SHT1x(包括SHT10,SHT11和SHT15)属于Sersirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。更之前我讲过的DHT11这款温湿度传感器相比,体积小了许多,特别适合用于产品中。SHT10温湿度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(文绉绉的),传感器内部有一个精度高达14为位的A/D转换器,适应串行接口电路实现无缝连接。该产品具有品质卓越、响应速度速度快,抗干扰能力强、性价比高等优点。
     1、接口定义:
  SHT10的接口定义如下图所示:
                                                            
           如上图所示,1脚为GND,4脚为VDD。它的供电电压范围为2.4~5.5V,建议的电压为3.3V,在电源引脚(VDD、GND)之间必须加上一个0.1uf的电容,应于去耦滤波用。它的2脚DATA为数据引脚,3脚SCK为时钟控制引脚,没有发现这两个引脚很像IIC所使用的引脚功能?没错,这个传感器确实可以认为是IIC接口,但是又有却别。该传感器不能按照IIC的协议编址,但是,如果IIC总线上没有挂接别的元件,传感器可以直接连到IIC总线上,但是单片机必须按照传感器的协议工作。传感器与单片机的接线如下图所示:
                                    

    2、传感器的通讯
      
     2.1、“启动传输”时序
用一组“启动传输”时序来完成数据传输的初始化。它包括:当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平,紧接着SCK变成低电平,随后是在SCK时钟高电平,随后是在SCK时钟高电平DATA翻转位高电平。时序如下:

                       

     2.2、复位时序
如果与SHT1x 通讯中断,可通过下列信号时序复位:当DATA 保持高电平时,触发SCK 时钟9 次或更多。时序图如下:
                    


沙发
cowboy2014|  楼主 | 2016-5-15 22:20 | 只看该作者
2.3、命令集
传感器的命令包含三个地址位(目前只支持000,这就是他只能挂接在空闲的IIC总线上的原因)和五个命令位。。SHT1x 会以下述方式表示已正确地接收到指令:在第8 个SCK 时钟的下降沿之后,将DATA 下拉为低电平(ACK 位)。在第9 个SCK 时钟的下降沿之后,释放DATA(恢复高电平)。命令集如下:
                           

     2.4、温湿度测量
发布一组测量命令(‘00000101’表示相对湿度RH,‘00000011’表示温度T)后,控制器要等待测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms,分别对应8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度,最多可能有-30%的变化。。SHT1x 通过下拉DATA 至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束。控制器在再次触发SCK 时钟前,必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储,这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
在收到CRC 的确认位之后,表明通讯结束。如果不使用CRC-8 校验,控制器可以在测量值LSB 后,通过保持ACK高电平终止通讯。在测量和通讯完成后,SHT1x 自动转入休眠模式。

    2.5、状态寄存器
SHT1x 的某些高级功能可以通过给状态寄存器发送指令来实现,如选择测量分辨率,电量不足提醒,使用 OTP 加载或启动加热功能等。状态寄存器度、写如下:


状态寄存器写


状态寄存器读

状态寄存器的具体描述如下表所示:



测量分辨率:默认分辨率 14bit (温度) 和 12bit (湿度) 可以被降低为 12 和 8bit. 尤其适用于要求测量速度极高或者功耗极低的应用。
电量不足检测功能:在电压不足 2.47V 发出警告。精度为±0.05 V。
加热:可通过向状态寄存器内写入命令启动传感器内部加热器.。加热器可以使传感器的温度高于周围环境 5 – 10°C12 。功耗大约为 8mA @ 5V 。
OPT加载:开启此功能,标定数据将在每次测量前被上传到寄存器。如果不开启此功能,可减少大约 10ms的测量时间。
上面的寄存器如果没有什么特殊要求或应用于特定的场合,则无需配置,选择默认就可以了。

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板凳
cowboy2014|  楼主 | 2016-5-15 22:21 | 只看该作者
2.6、通讯过程
传感器的通讯过程为:发送”启动传输“时序,初始化传感器——>发送命令——>等待传感器应答,及测量结束——>接收传感器的16位数据值——>接收8为的CRC校验数据——>休眠,等待下一次传输开始。
传输的过程的测量时序可以由下图示意:

  上图中 TS = 传输开始, MSB = 高有效字节,LSB =低有效字节, LSb = 低有效位。
下面举个实际测量时的相对湿度测量时序例子。时序如下:

这张图可以知道:我们接收到的数据数值为”0000 0100 0011 0001“ = 1073 = 35.50% RH (位含温度补偿),至于怎么计算的,请接着往下看。

     2.7、信号转化  
       2.7.1 温度的转化
设T 2 1 SOt为从传感器上读出来的测量数值,我们需要用下面的公式将测量数值转换成整整的温度值。
T = d1 + d2 * SOt  (其中d1,d2的值根据实际情况选择,选项如下)



      2.7.2 湿度的转换
湿度的转换公式如下:。其中湿度的转化参数如下选择:根据采样的精度不同而不同。


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地板
cowboy2014|  楼主 | 2016-5-15 22:21 | 只看该作者
99%以上的湿度已经接近饱和必须经过处理显示100%RH13.请注意 湿度传感器对电压无依赖性。测量值与相对湿度的转化如下图所示:

  相对湿度根据上面的参数与公式算出来之后,还需要考虑当前环境温度而进行适当的补偿。补偿的公式及其参数选择如下:


       2.7.3、露点的计算
露点的定义:露点温度指空气在此温度下能保持最多的水汽,当温度冷却到露点,空气变得饱和,就会出现雾、露或霜。
SHT1x 并不直接进行露点测量,,但露点可以通过温度和湿度读数计算得到.。由于温度和湿度在同一块集成电路上测量,SHT1x 可测量露点。 一块集成电路上测量,SHT1x 可测量露点。 下面直接给出结论性的露点计算公式了。
LogEW=(0.66077+7.5*T/(237.3+T)+(log10(RH)-2)         
露点:Dp=((0.66077-logEW)*237.3/(logEW-8.16077)         
例如:RH=10% T=25C  ->EW=23.7465->露点=-8.69℃
  RH=90% T=50C  ->EW=92.4753->露点=47.89℃

   2.8、STM32上的SHT10驱动程序
      2.8.1、SHT10.h文件的编写
这个文件主要定义些重要的参数,以及更硬件相关的一些定义。
/*************************************************************
                             \(^o^)/
  Copyright (C), 2013-2020, ZheJiang University of Technology
  File name  : SHT10.h
  Author     : ziye334   
  Version    : V1.0
  Data       : 2014/3/10      
  Description: Digital temperature and humidity sensor driver code
  
*************************************************************/
#ifndef __SHT10_H__
#define __SHT10_H__
#include "stm32f10x.h"

enum {TEMP, HUMI};

/* GPIO相关宏定义 */
#define SHT10_AHB2_CLK        RCC_APB2Periph_GPIOD
#define SHT10_DATA_PIN        GPIO_Pin_0
#define SHT10_SCK_PIN        GPIO_Pin_1
#define SHT10_DATA_PORT        GPIOD
#define SHT10_SCK_PORT        GPIOD

#define SHT10_DATA_H()        GPIO_SetBits(SHT10_DATA_PORT, SHT10_DATA_PIN)                         //拉高DATA数据线
#define SHT10_DATA_L()        GPIO_ResetBits(SHT10_DATA_PORT, SHT10_DATA_PIN)                         //拉低DATA数据线
#define SHT10_DATA_R()        GPIO_ReadInputDataBit(SHT10_DATA_PORT, SHT10_DATA_PIN)         //读DATA数据线

#define SHT10_SCK_H()        GPIO_SetBits(SHT10_SCK_PORT, SHT10_SCK_PIN)                                 //拉高SCK时钟线
#define SHT10_SCK_L()        GPIO_ResetBits(SHT10_SCK_PORT, SHT10_SCK_PIN)                         //拉低SCK时钟线

/* 传感器相关宏定义 */
#define        noACK        0
#define ACK                1
                                                                //addr  command         r/w
#define STATUS_REG_W        0x06        //000         0011          0          写状态寄存器
#define STATUS_REG_R        0x07        //000         0011          1          读状态寄存器
#define MEASURE_TEMP         0x03        //000         0001          1          测量温度
#define MEASURE_HUMI         0x05        //000         0010          1          测量湿度
#define SOFTRESET       0x1E        //000         1111          0          复位


void SHT10_Config(void);
void SHT10_ConReset(void);
u8 SHT10_SoftReset(void);
u8 SHT10_Measure(u16 *p_value, u8 *p_checksum, u8 mode);
void SHT10_Calculate(u16 t, u16 rh,float *p_temperature, float *p_humidity);
float SHT10_CalcuDewPoint(float t, float h);


#endif


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cowboy2014|  楼主 | 2016-5-15 22:23 | 只看该作者
2.8.2、SHT10.c驱动程序的编写
不废话了,直接贴代码:
/*************************************************************
                             \(^o^)/
  Copyright (C), 2013-2020, ZheJiang University of Technology
  File name  : SHT10.c
  Author     : ziye334   
  Version    : V1.0
  Data       : 2014/3/10      
  Description: Digital temperature and humidity sensor driver code
  
*************************************************************/
#include "SHT10.h"
#include <math.h>


/*************************************************************
  Function   :SHT10_Dly  
  Description:SHT10时序需要的延时
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_Dly(void)
{
        u16 i;
        for(i = 500; i > 0; i--);
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_Config  
  Description:初始化 SHT10引脚
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_Config(void)
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;        
        //初始化SHT10引脚时钟
        RCC_APB2PeriphClockCmd(SHT10_AHB2_CLK ,ENABLE);
               
        //PD0 DATA 推挽输出        
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SHT10_DATA_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
        GPIO_Init(SHT10_DATA_PORT, &GPIO_InitStructure);
        //PD1 SCK 推挽输出
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SHT10_SCK_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
        GPIO_Init(SHT10_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);

        SHT10_ConReset();        //复位通讯
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_DATAOut
  Description:设置DATA引脚为输出
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_DATAOut(void)
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        //PD0 DATA 推挽输出        
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SHT10_DATA_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         
        GPIO_Init(SHT10_DATA_PORT, &GPIO_InitStructure);
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_DATAIn  
  Description:设置DATA引脚为输入
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_DATAIn(void)
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        //PD0 DATA 浮动输入        
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SHT10_DATA_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
        GPIO_Init(SHT10_DATA_PORT, &GPIO_InitStructure);
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_WriteByte  
  Description:写1字节
  Input      : value:要写入的字节        
  return     : err: 0-正确  1-错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_WriteByte(u8 value)
{
        u8 i, err = 0;
        
        SHT10_DATAOut();                          //设置DATA数据线为输出

        for(i = 0x80; i > 0; i /= 2)  //写1个字节
        {
                if(i & value)
                        SHT10_DATA_H();
                else
                        SHT10_DATA_L();
                SHT10_Dly();
                SHT10_SCK_H();
                SHT10_Dly();
                SHT10_SCK_L();
                SHT10_Dly();
        }
        SHT10_DATAIn();                                  //设置DATA数据线为输入,释放DATA线
        SHT10_SCK_H();
        err = SHT10_DATA_R();                  //读取SHT10的应答位
        SHT10_SCK_L();

        return err;
}

/*************************************************************
  Function   :SHT10_ReadByte  
  Description:读1字节数据
  Input      : Ack: 0-不应答  1-应答        
  return     : err: 0-正确 1-错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_ReadByte(u8 Ack)
{
        u8 i, val = 0;

        SHT10_DATAIn();                                  //设置DATA数据线为输入
        for(i = 0x80; i > 0; i /= 2)  //读取1字节的数据
        {
                SHT10_Dly();
                SHT10_SCK_H();
                SHT10_Dly();
                if(SHT10_DATA_R())
                        val = (val | i);
                SHT10_SCK_L();
        }
        SHT10_DATAOut();                          //设置DATA数据线为输出
        if(Ack)
                SHT10_DATA_L();                          //应答,则会接下去读接下去的数据(校验数据)
        else
                SHT10_DATA_H();                          //不应答,数据至此结束
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_H();
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_L();
        SHT10_Dly();

        return val;                                          //返回读到的值
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_TransStart  
  Description:开始传输信号,时序如下:
                     _____         ________
               DATA:      |_______|
                         ___     ___
               SCK : ___|   |___|   |______        
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_TransStart(void)
{
        SHT10_DATAOut();                          //设置DATA数据线为输出

        SHT10_DATA_H();
        SHT10_SCK_L();
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_H();
        SHT10_Dly();
        SHT10_DATA_L();
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_L();
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_H();
        SHT10_Dly();
        SHT10_DATA_H();
        SHT10_Dly();
        SHT10_SCK_L();

}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_ConReset  
  Description:通讯复位,时序如下:
                     _____________________________________________________         ________
               DATA:                                                      |_______|
                        _    _    _    _    _    _    _    _    _        ___     ___
               SCK : __| |__| |__| |__| |__| |__| |__| |__| |__| |______|   |___|   |______
  Input      : none        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_ConReset(void)
{
        u8 i;

        SHT10_DATAOut();

        SHT10_DATA_H();
        SHT10_SCK_L();

        for(i = 0; i < 9; i++)                  //触发SCK时钟9c次
        {
                SHT10_SCK_H();
                SHT10_Dly();
                SHT10_SCK_L();
                SHT10_Dly();
        }
        SHT10_TransStart();                          //启动传输
}



/*************************************************************
  Function   :SHT10_SoftReset  
  Description:软复位
  Input      : none        
  return     : err: 0-正确  1-错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_SoftReset(void)
{
        u8 err = 0;

        SHT10_ConReset();                              //通讯复位
        err += SHT10_WriteByte(SOFTRESET);//写RESET复位命令

        return err;
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_ReadStatusReg  
  Description:读状态寄存器
  Input      : p_value-读到的数据;p_checksun-读到的校验数据      
  return     : err: 0-正确  0-错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_ReadStatusReg(u8 *p_value, u8 *p_checksum)
{
        u8 err = 0;

        SHT10_TransStart();                                        //开始传输
        err = SHT10_WriteByte(STATUS_REG_R);//写STATUS_REG_R读取状态寄存器命令
        *p_value = SHT10_ReadByte(ACK);                //读取状态数据
        *p_checksum = SHT10_ReadByte(noACK);//读取检验和数据
        
        return err;
}



/*************************************************************
  Function   :SHT10_WriteStatusReg  
  Description:写状态寄存器
  Input      : p_value-要写入的数据值      
  return     : err: 0-正确  1-错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_WriteStatusReg(u8 *p_value)
{
        u8 err = 0;

        SHT10_TransStart();                                         //开始传输
        err += SHT10_WriteByte(STATUS_REG_W);//写STATUS_REG_W写状态寄存器命令
        err += SHT10_WriteByte(*p_value);         //写入配置值

        return err;
}



/*************************************************************
  Function   :SHT10_Measure  
  Description:从温湿度传感器读取温湿度
  Input      : p_value-读到的值;p_checksum-读到的校验数        
  return     : err: 0-正确 1—错误   
*************************************************************/
u8 SHT10_Measure(u16 *p_value, u8 *p_checksum, u8 mode)
{
        u8 err = 0;
        u32 i;
        u8 value_H = 0;
        u8 value_L = 0;

        SHT10_TransStart();                                                 //开始传输
        switch(mode)                                                         
        {
        case TEMP:                                                                 //测量温度
                err += SHT10_WriteByte(MEASURE_TEMP);//写MEASURE_TEMP测量温度命令
                break;
        case HUMI:
                err += SHT10_WriteByte(MEASURE_HUMI);//写MEASURE_HUMI测量湿度命令
                break;
        default:
                break;
        }
        SHT10_DATAIn();
        for(i = 0; i < 72000000; i++)                             //等待DATA信号被拉低
        {
                if(SHT10_DATA_R() == 0) break;             //检测到DATA被拉低了,跳出循环
        }
        if(SHT10_DATA_R() == 1)                                //如果等待超时了
                err += 1;
        value_H = SHT10_ReadByte(ACK);
        value_L = SHT10_ReadByte(ACK);
        *p_checksum = SHT10_ReadByte(noACK);           //读取校验数据
        *p_value = (value_H << 8) | value_L;
        return err;
}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_Calculate  
  Description:计算温湿度的值
  Input      : Temp-从传感器读出的温度值;Humi-从传感器读出的湿度值
               p_humidity-计算出的实际的湿度值;p_temperature-计算出的实际温度值        
  return     : none   
*************************************************************/
void SHT10_Calculate(u16 t, u16 rh, float *p_temperature, float *p_humidity)
{
        const float d1 = -39.7;
        const float d2 = +0.01;
        const float C1 = -2.0468;
        const float        C2 = +0.0367;
        const float C3 = -0.0000015955;        
        const float T1 = +0.01;
        const float T2 = +0.00008;

        float RH_Lin;                                                                                  //RH线性值        
        float RH_Ture;                                                                                 //RH真实值
        float temp_C;

        temp_C = d1 + d2 * t;                                                              //计算温度值        
        RH_Lin = C1 + C2 * rh + C3 * rh * rh;                            //计算湿度值
        RH_Ture = (temp_C -25) * (T1 + T2 * rh) + RH_Lin;        //湿度的温度补偿,计算实际的湿度值

        if(RH_Ture > 100)                                                                        //设置湿度值上限
                RH_Ture        = 100;
        if(RH_Ture < 0.1)
                RH_Ture = 0.1;                                                                        //设置湿度值下限

        *p_humidity = RH_Ture;
        *p_temperature = temp_C;

}


/*************************************************************
  Function   :SHT10_CalcuDewPoint  
  Description:计算露点
  Input      : h-实际的湿度;t-实际的温度        
  return     : dew_point-露点   
*************************************************************/
float SHT10_CalcuDewPoint(float t, float h)
{
        float logEx, dew_point;

        logEx = 0.66077 + 7.5 * t / (237.3 + t) + (log10(h) - 2);
        dew_point = ((0.66077 - logEx) * 237.3) / (logEx - 8.16077);

        return dew_point;
}


2.8.3、main函数的编写:
int main(void)
{  
        u16 humi_val, temp_val;
        u8 err = 0, checksum = 0;
        float humi_val_real = 0.0;
        float temp_val_real = 0.0;
        float dew_point = 0.0;
        
        BSP_Init();
        printf("\nSHT10温室度测试程序!!!\n");
        SHT10_Config();
        while(1)
        {
                err += SHT10_Measure(&temp_val, &checksum, TEMP);                  //获取温度测量值
                err += SHT10_Measure(&humi_val, &checksum, HUMI);                  //获取湿度测量值
                if(err != 0)
                        SHT10_ConReset();
                else
                {
                        SHT10_Calculate(temp_val, humi_val, &temp_val_real, &humi_val_real); //计算实际的温湿度值
                        dew_point = SHT10_CalcuDewPoint(temp_val_real, humi_val_real);                 //计算露点温度
                }
                printf("当前环境温度为:%2.1f℃,湿度为:%2.1f%%,露点温度为%2.1f℃\r\n", temp_val_real, humi_val_real, dew_point);
                LED1_Toggle();
                Delay_ms(1000);
        }
}


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