STM32 SHT10温湿度传感器的信号采集
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：
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。
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：
下面举个实际测量时的相对湿度测量时序例子。时序如下：
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。
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);
#endif2.8.2、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
/*************************************************************
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);
}
}