在我們的產(chǎn)品中，經(jīng)常需要檢測溫濕度數(shù)據(jù)。有很多檢測溫濕度的方法和模塊，其中SHT1x系列傳感器" target="_blank">溫濕度傳感器就是一種成本較低使用方便的溫濕度檢測模塊。下面我們就來說一說如何實(shí)現(xiàn)SHT1x系列溫濕度傳感器的驅(qū)動。

　　1 、功能概述

　　SHT1x包括 SHT10， SHT11 和 SHT15 屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號。

　　1.1 、硬件描述

　　SHT1x傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。其引腳定義如下：

　　SHT1x溫濕度傳感器使用的2線通訊，類似于I2C總線，但并不相同，使用普通的GPIO就可實(shí)現(xiàn)通訊。此次采用STM32F103VET6來操作SHT15，具體的連接方式如下：

　　SCK 用于微處理器與SHT1x 之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK 頻率。

　　DATA 引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀取傳感器數(shù)據(jù) . 當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時， DATA 在 SCK 上升沿有效且在 SCK 高電平時必須保持穩(wěn)定。 DATA 在 SCK 下降沿之后改變。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中。

　　1.2 、數(shù)據(jù)通訊

　　選擇供電電壓后將傳感器通電，上電速率不能低于1V/ms。通電后傳感器需要11ms 進(jìn)入休眠狀態(tài)，在此之前不允許對傳感器發(fā)送任何命令。

　　SHT1x溫濕度傳感器采用一組“啟動傳輸”時序，來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。而后續(xù)命令包含三個地址位（目前只支持000“），和五個命令位。SHT1x 會以下述方式表示已正確地接收到指令：在第8 個SCK 時鐘的下降沿之后，將DATA 下拉為低電平（ACK 位）。在第9 個SCK 時鐘的下降沿之后，釋放DATA（恢復(fù)高電平）。SHT1x溫濕度傳感器的指令表如下：

　　后續(xù)我們開發(fā)SHT1x溫濕度傳感器的驅(qū)動時，就是通過這些操作命令來實(shí)現(xiàn)不同的操作。

　　1.3 、數(shù)據(jù)計(jì)算

　　濕度的測量數(shù)據(jù)并不是一個線性變化的過程濕度的非線性，為獲得更為精確的測量數(shù)據(jù)，我們一般要采用非線性補(bǔ)償公式進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。濕度的非線性補(bǔ)償公式及參數(shù)如下：

　　一般來說，傳感器濕度的校準(zhǔn)都是在一定的參考溫度下進(jìn)行的，但在我們的使用過程中，實(shí)際溫度與測試參考溫度25℃ （~77℉）明顯是不同的，所以我們需要對實(shí)際的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。濕度的溫度補(bǔ)償公式及系數(shù)如下：

　　SHT1x系列溫濕度傳感器的溫度傳感器采用的能隙材料PTAT。而能隙材料PTAT一般與絕對溫度存在正比關(guān)系，因而溫度傳感器具有極好的線性。可用如下公式將數(shù)字輸出（SOT）轉(zhuǎn)換為溫度值，溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)如下：

　　SHT1x 并不直接進(jìn)行露點(diǎn)測量，但露點(diǎn)可以通過溫度和濕度讀數(shù)計(jì)算得到。。由于溫度和濕度在同一塊集成電路上測量，SHT1x可測量露點(diǎn)。露點(diǎn)的計(jì)算方法很多，絕大多數(shù)都很復(fù)雜。 對于-40 – 50°C 溫度范圍的測量，通過下面的的公式可得到較好的精度。

　　通過上述幾個公式就可以計(jì)算出SHT1x監(jiān)測的溫度、濕度及露點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　2 、驅(qū)動設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　我們已經(jīng)了解了SHT1x系列溫濕度傳感器基本技術(shù)特性，接下來我們進(jìn)一步考慮如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)SHT1x系列溫濕度傳感器的驅(qū)動。

　　2.1 、對象定義

　　在使用一個對象之前我們需要獲得一個對象。同樣的我們想要SHT1x系列溫濕度傳感器就需要先定義SHT1x系列溫濕度傳感器的對象。

　　2.1.1 、對象的抽象

　　我們要得到SHT1x系列溫濕度傳感器對象，需要先分析其基本特性。一般來說，一個對象至少包含兩方面的特性：屬性與操作。接下來我們就來從這兩個方面思考一下SHT1x系列溫濕度傳感器的對象。

　　先來考慮屬性，作為屬性肯定是用于標(biāo)識或記錄對象特征的東西。我們來考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象屬性。首先SHT1x系列溫濕度傳感器有一個狀態(tài)寄存器，用于表示狀態(tài)和配置操作特性，所以我們將讀取的狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)作為標(biāo)識SHT1x系列溫濕度傳感器對象的一個屬性。我們根據(jù)前面SHT1x系列溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算公式可知，溫度單位和工作電壓對溫度測量結(jié)果的計(jì)算有直接影響，所以我們將溫度單位和工作電壓也作為SHT1x系列溫濕度傳感器對象的屬性，用于區(qū)別計(jì)算過程。此外溫度、濕度、露點(diǎn)的數(shù)據(jù)我們將其作為屬性用于記錄當(dāng)前狀態(tài)。

　　接著我們還需要考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象的操作問題。我們是使用GPIO來模擬數(shù)字通訊，所以SCK引腳和DATA引腳都需要控制輸出，而控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與具體的硬件相關(guān)，所以我們將控制這兩個引腳輸出的函數(shù)作為對象的操作。對于DATA引腳還有可能需要控制方向和讀取輸入，同樣的原因我們也將其作為對象的操作。此外，我們在與SHT1X通訊時需要控制時鐘，以及操作等待都是與硬件有關(guān)系的時間操作，所以我們也將其作為對象的操作。

　　根據(jù)上述我們對SHT1x溫濕度傳感器的分析，我們可以定義SHT1x溫濕度傳感器的對象類型如下：

　　2.1.2 、對象初始化

　　我們知道，一個對象僅作聲明是不能使用的，我們需要先對其進(jìn)行初始化，所以這里我們來考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象的初始化函數(shù)。一般來說，初始化函數(shù)需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入?yún)?shù)是否合理；二是為對象的屬性賦初值；三是對對象作必要的初始化配置。據(jù)此我們設(shè)計(jì)SHT1x系列溫濕度傳感器對象的初始化函數(shù)如下：

　　2.2 、對象操作

　　我們已經(jīng)完成了SHT1x系列溫濕度傳感器對象類型的定義和對象初始化函數(shù)的設(shè)計(jì)。但我們的主要目標(biāo)是獲取對象的信息，接下來我們還要實(shí)現(xiàn)面向SHT1x溫濕度傳感器的各類操作。

　　2.2.1 、啟動通訊

　　每次發(fā)起與SHT1x溫濕度傳感器的通訊都需要用一組”啟動傳輸“時序，來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟Ｋǎ寒?dāng)SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。啟動通訊時序如下圖：

　　根據(jù)上述時序圖我們可以實(shí)現(xiàn)啟動通訊的操作函數(shù)如下：

　　2.2.2 、復(fù)位通訊

　　如果與SHT1x通訊中斷，可通過下列信號時序復(fù)位：當(dāng)DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9 次或更多。接著發(fā)送一個”傳輸啟動“時序。這些時序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。具體的時序圖如下：

　　根據(jù)上述的時序圖，我們設(shè)計(jì)通訊復(fù)位操作函數(shù)如下：

　　2.2.3 、數(shù)據(jù)獲取

　　在前面我們已經(jīng)了解了SHT1x通訊命令，根據(jù)命令定義，我們發(fā)送命令”00000101“就表示相對濕度RH測量，發(fā)送命令”00000011“就表示溫度T的測量。測量過程需要大約20/80/320ms，分別對應(yīng)8/12/14bit分辨率。SHT1x通過下拉DATA至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測量的結(jié)束。控制器在再次觸發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個”數(shù)據(jù)備妥“信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時再讀出數(shù)據(jù)。

　　接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗(yàn)（可選擇讀?。??？刂破餍枰ㄟ^下拉DATA為低電平，以確認(rèn)每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB 開，右值有效（例如：對于12bit 數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于8bit 數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意始義）。

　　在收到CRC的確認(rèn)位之后，表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8 校驗(yàn)，控制器可以在測量值LSB后，通過保持ACK高電平終止通訊。在測量和通訊完成后，SHT1x自動轉(zhuǎn)入休眠模式。數(shù)據(jù)測量時序圖如下所示：

　　根據(jù)上述描述和時序圖，我們可以實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的獲取函數(shù)如下：

　　2.2.4 、狀態(tài)寄存器操作

　　SHT1x的某些高級功能可以通過給狀態(tài)寄存器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)，如選擇測量分辨率，電量不足提醒，使用OTP加載或啟動加熱功能等。SHT1x的狀態(tài)寄存器可以讀或者寫。其實(shí)寫狀態(tài)寄存器就是配置設(shè)備的一些特性，一般情況下在初始化時完成即可。讀寫狀態(tài)寄存器的格式如下：

　　3 、驅(qū)動的使用

　　我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了SHT1x溫濕度傳感器驅(qū)動，接下來我們還需要對這一驅(qū)動進(jìn)行驗(yàn)證，所以我們要基于此驅(qū)動設(shè)計(jì)一個簡單的應(yīng)用。

　　3.1 、聲明并初始化對象

　　使用基于對象的操作我們需要先得到這個對象，所以我們先要使用前面定義的SHT1x溫濕度傳感器對象類型聲明一個SHT1x溫濕度傳感器對象變量，具體操作格式如下：

　　Sht1xObjectType sht1x;

　　聲明了這個對象變量并不能立即使用，我們還需要使用驅(qū)動中定義的初始化函數(shù)對這個變量進(jìn)行初始化。這個初始化函數(shù)所需要的輸入?yún)?shù)如下：

　　Sht1xObjectType *sht，SHT1X對象變量

　　uint32_t sck，SCK時鐘頻率

　　float vdd，工作電壓

　　SHT1xTempUnitType uint，溫度單位

　　SHT1xHeaterType heater，是否啟用加熱器設(shè)置

　　SHT1xOTPType otp，是否加在OTP設(shè)置

　　SHT1xResolutionType resolution，測量分辨率設(shè)置

　　SHT1xSetBusPin setSckPin，SCK引腳操作函數(shù)

　　SHT1xSetBusPin setDataPin，DATA引腳操作函數(shù)

　　SHT1xReadSDABit readSDA，讀DATA引腳函數(shù)

　　SHT1xSDADirection direction，DATA引腳方向配置函數(shù)

　　SHT1xDelay delayus，微秒延時函數(shù)

　　SHT1xDelay delayms，毫秒延時函數(shù)

　　對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。時鐘頻率根據(jù)實(shí)際輸入，以k為單位，默認(rèn)為100k。工作電壓根據(jù)實(shí)際情況輸入。溫度單位、加熱設(shè)置、OTP配置、分辨率配置均為枚舉，根據(jù)實(shí)際情況選擇就好了。主要的是我們需要定義幾個函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(shù)的類型如下：

　　對于這幾個函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關(guān)系。片選操作函數(shù)用于多設(shè)備需要軟件操作時，如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數(shù)定義如下：

　　對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實(shí)現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay（）函數(shù)。于是我們可以調(diào)用初始化函數(shù)如下：

　　SHT1xInitialization（&sht1x，100，3.3，DegreeCentigrade，SHT1xHeaterDisable，SHT1xOTPEbable，SHT1xHighResolution，OperationSckPin，OperationDataPin，ReadDataPinBit，SetDataPineDirection，Delayus，HAL_Delay）；

　　這里我們將SHT1x對象初始化為速度100k，3.3伏工作電壓，采用攝氏溫度單位，禁用片上加熱器，加載OTP并使用高分辨率。

　　3.2 、基于對象進(jìn)行操作

　　我們定義了對象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。我們在驅(qū)動中已經(jīng)將獲取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換值的比例值，接下來我們使用這一驅(qū)動開發(fā)我們的應(yīng)用實(shí)例。

　　這里我們設(shè)計(jì)一個簡單應(yīng)用，使用SHT1X溫濕度傳感器獲取溫度、濕度及露點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

　　4 、應(yīng)用總結(jié)

　　我們實(shí)現(xiàn)了SHT1X溫濕度傳感器的驅(qū)動，并使用這一驅(qū)動開發(fā)了簡單的驗(yàn)證應(yīng)用。所得到的結(jié)果與我們預(yù)期的結(jié)果是一致的，這說明我們的驅(qū)動開發(fā)沒有問題。

　　在使用驅(qū)動程序時需要注意一點(diǎn)，對象有一個控制DATA總線引腳輸入輸出方向的操作。對于一般情況下我們編寫引腳的輸入輸出方向控制函數(shù)，在初始化函數(shù)中將函數(shù)指針作為參數(shù)傳入即可。如果硬件上可以配置為開漏輸出，則可以不用單獨(dú)控制引腳的輸入輸出方向。在初始化函數(shù)中以NULL作為參數(shù)輸入。

　　關(guān)于通訊速率問題需要注意。在不同工作電壓時所支持的最大通訊速率是不同的，但不論如何我都能支持到1MHz，所以沒有特殊要求，電壓的影響可以不用考慮。在我們的驅(qū)動中，最多能支持到500kHz，這主要是考慮到SHT1X的典型速度只有100k，而且大多數(shù)應(yīng)用中不會有高速要求。

　　完整的源代碼可在GitHub下載：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver

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