应用天地２０１１年１２月第３０卷 第１２期基于ＳＨＴ１１温湿度测量仪的设计叶 钢（丽水职业技术学院机电信息分院 丽水 ３２３０００）摘 要：温湿度测量仪是对环境温湿度进行现场检测的常用仪表，讨论了一种基于ＳＨＴ１１的数字温湿度测量仪的设计方法。
该温湿度测量仪的控制系统采用ＡＴ８９Ｓ５１单片机，温湿度传感器采用ＳＨＴ１１为主要硬件，通过仿真软件Ｐｒｏｔｅｕｓ进行系统仿真与验证，最终实现简易数字式温湿度测量仪的硬件电路与软件程序的设计。
实践证明该温湿度测量仪具有测量精度高等特点，具有一定的实用价值。
关键词：ＳＨＴ１１；ＡＴ８９Ｓ５１；温湿度测量仪中图分类号：ＴＨ８１１ 文献标识码：ＡＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＨＴ１１Ｙｅ Ｇａｎｇ（Ｌｉｓｈｕｉ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉｓｈｕｉ，３２３０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｆｏｒ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ＳＨＴ１１ｂａｓｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ＡＴ８９Ｓ５１ＭＣＵ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ ｕｓｉｎｇ ＳＨＴ１１ａｓ ｍａｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｍｅａｓ－ｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＨＴ１１；ＡＴ８９Ｓ５１；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 收稿日期：２０１１－１０－１４０ 引 言在日常生活或者工农业生产中，经常会需要检测环境的温湿度，因此采用单片机和温湿度传感器构成的数字温湿度测量仪显得非常重要，数字温湿度测量仪已被广泛应用于电子测量、仪表自动化、温室大棚、自动控制等多个智能化领域中。
在过去某些场合经常采用热敏电阻和湿度电容来分别测量环境的温湿度，这种测量系统普遍精度不高，而且在多点测量时系统设计较为复杂。
而采用ＳＨＴ１１这种集温湿度传感器于一体的数字集成式传感器，则会使得系统大大降低成本，简化设计。
ＳＨＴ１１是瑞士ＳＥＮＳＩＲＩＯＮ公司推出来的一款数字温湿度传感器，它的特点如下：１）输出数字信号；２）输出数据已经过内部校准；３）内部包含一个１４位的Ａ／Ｄ转换器，能实现最高１４ｂｉｔ温度及１２ｂｉｔ的湿度测量；４）响应迅速、抗干扰能力强、性价比高。
１ ＳＨＴ１１的引脚排列及内部框图ＳＨＴ１１的引脚采用４线制，其内部包含湿度传感模块、温度传感模块、１４位的Ａ／Ｄ模块、校验存储器、数字２线制接口及ＣＲＣ发生器等，ＳＨＴ１１内部框图以及ＳＨＴ１１引脚说明分别如表１、图１所示。
２ ＳＨＴ１１串行通信格式１）发送命令微处理器采用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。
其时序图如图２所示，在图中可以看见：当时钟—６６—中国科技核心期刊 中国科技核心期刊２０１１年１２月第３０卷 第１２期应用天地线ＳＣＫ变为高电平时，将数据线ＤＡＴＡ从高电平变为低电平，紧接着时钟线ＳＣＫ又变为低电平，然后是在下一个时钟线ＳＣＫ变为高电平时，数据线ＤＡＴＡ翻转为高电平。
表１ ＳＨＴ１１引脚说明引脚名称说明ＶＤＤ 电源端，ＳＨＴ１１的供电电压较宽，为２．４～５．５ＶＧＮＤ 接地ＳＣＫ 串行时钟输入端，ＳＣＫ用于微处理器与ＳＨＴ１１之间的通信同步ＤＡＴＡ 串行数据端，用于串行数据的读取，此端需要外接１０ｋΩ的上拉电阻微处理器控制ＳＨＴ１１的后续命令包含３个地址位（目前只支持“０００”），和５个命令位。
ＳＨＴ１１的命令集见表２所示。
表２ ＳＨＴ１１命令集命令代码 预留００００× 温度测量０００１１ 湿度测量００１０１ 读状态寄存器００１１１ 写状态寄存器００１１０ 预留０１０１×—１１１０× 软复位，复位接口、清空状态寄存器，即清空为默认值下一次命令前等待至少１１ｍｓ１１１１０２）测量时序（温度和湿度）当微处理器发布一组测量命令（“０００００１０１”表示相对湿度ＲＨ，“００００００１１”表示温度Ｔ）后，微处理器就要等待测量结束。
这个测量过程所需的时间可根据精度不同而有所变化，若为８ｂｉｔ的测量，则所需时间为２０ｍｓ，若为１２ｂｉｔ的测量，所需时间为８０ｍｓ，若为１４ｂｉｔ的测量，所需时间为３２０ｍｓ。
ＳＨＴ１１可通过将数据线ＤＡＴＡ变为低电平进入空闲模式，表示测量的结束。
当微处理器未触发ＳＣＫ时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。
为了测量准确，保证在测量时ＳＨＴ１１自身温升低于０．１℃，因此ＳＨＴ１１的激活时间不要超过１０％，例如对于１２ｂｉｔ的测量，每秒最多测量２次。
３）通信复位时序如果在工作过程中，发生微处理器与ＳＨＴ１１的通信失败，则可采用如图３所示的时序复位串口。
在图３中可以看出，当ＤＡＴＡ保持高电平时，ＳＣＫ触发９次以上，则进入重启ＳＨＴ１１的状态，注意这种时序只复位串口，ＳＨＴ１１的状态寄存器内容仍然被保留。
图３ “通信复位”时序３ ＳＨＴ１１输出数据转物理量１）温度ＳＨＴ１１的温度测量具有良好的线性，可直接采用如下公式得到温度值（Ｔ）：Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯＴ在上式中，ＳＯＴ为ＳＨＴ１１输出的温度数据，ｄ１和ｄ２为常数，表３列出了它们的具体数值。
表３ 温度转换系数２）相对湿度而ＳＨＴ１１的湿度值（ＲＨ）可采用下式得到：ＲＨ＝ｃ１＋ｃ２ＳＯＲＨ＋ｃ３ＳＯ２ＲＨ在上式中，ＳＯＲＨ为ＳＨＴ１１输出的湿度数据，ｃ１、ｃ２和ｃ３为常数，可通过表４查询得到该数值。
表４ 湿度转换系数ＳＯＲＨｃ１ｃ２ｃ３１２ｂｉｔ－４ ０．０４０５－２．８×１０－６８ｂｉｔ－４ ０．６４８－７．２×１０－４—７６—中国科技核心期刊 应用天地２０１１年１２月第３０卷 第１２期 ３）湿度传感器相对湿度大温度补偿若实际测量温度与２５℃相差较大时，需要考虑湿度传感器的温度修正系数，如下公式所示：ＲＨＴＲＵＥ＝（Ｔ℃－２５）·（ｔ１＋ｔ２·ＳＯＲＨ）＋ＲＨ在上式中，Ｔ℃为ＳＨＴ１１所测到的温度数据，单位为摄氏度，ＳＯＲＨ为ＳＨＴ１１输出的湿度数据，ＲＨ为已转换好的相对湿度值，ｔ１和ｔ２为常数，其值可通过表５所查询得到。
表５ 温度补偿系数ＳＯＲＨｔ１ｔ２１２ｂｉｔ ０．０１ ０．００００８８ｂｉｔ ０．０１ ０．００１２８４ 硬件设计图４给出了本系统的硬件框图，单片机采用ＡＴ８９Ｓ５１，采用数码管显示温度和湿度值。
图４ 系统硬件ＳＨＴ１１只需要通过两条线与ＡＴ８９Ｓ５１单片机的管脚连接即可进行串行通信，其中单片机的Ｐ１．０口与ＳＨＴ１１的ＤＡＴＡ端相连，Ｐ１．１与ＳＣＫ端相连，ＳＨＴ１１的ＶＤＤ接电源，ＧＮＤ接地。
温湿度检测仪的显示采用２个２位一体的数码管作为显示器件，一个数码管作为温度显示；另一个数码管作为湿度显示。
５ 软件设计及仿真ＳＨＴ１１温湿度子程序主要包括：ＳＨＴ１１启动程序、应答位检测、温度测量、温度数据处理、湿度测量、湿度数据处理等，其主要流程图如图５所示。
图５ ＳＨＴ１１温湿度子程序流程本系统的调试主要以软件为主，系统电路图的绘制和仿真采用的是Ｐｒｏｔｅｕｓ软件，图６给出了环境温湿度值及数码管显示的温湿度测量值。
从图６中可以看出，当前环境温度为３６℃，湿度为７０％ＲＨ，而系统的温度测量值为３５℃，湿度测量值为７２％ＲＨ，温度误差为１℃，湿度误差为２％ＲＨ，实现了环境温湿度的测量功能。
图６ 温湿度测量仿真６ 结束语由ＳＨＴ１１构成的数字温湿度测量仪，具有结构简单、成本低、元器件少、实用性强等多个优点，经过测试，该测量仪测量温湿度数据准确、精度较高，能应用于多种场合。
系统在硬件设计上充分考虑了系统的扩展性，通过简单的改进，可以实现多点温湿度的测量及显示等功能。
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