(完整word版)基于SHT11温湿度传感器课程设计

课程设计报告书

课程名称：《传感器原理及应用》课程设计题目：基于SHT11温湿度传感器的湿度

计设计

系（院）：电子工程学院测控系

学期：2013-2014-1

专业班级：测控111

姓名：

学号：

1 设计目的

（1）能较全面地巩固和应用“传感器及检测技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。

（2）通过《传感器及检测技术》课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。

（3）培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。

（4）培养书写综合设计报告的能力。

2 本题目的具体设计要求

（1）本实验设计的温湿度计能完成多种环境中的温度、湿度测量；

（2）根据系统要求，选择合适的传感器，本实验所选用传感器为SHT11温湿度传感器；

（3）设计传感器测量电路；

（4）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；

（5）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；

（6）画出系统电路图；

3 本系统的总体实现原理、方案设计

3.1 国内外发展现状及文献综述：

温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM 技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

3.2 本系统的实现原理、总体方案设计

采用湿度和温度测量，即用一个温湿度传感器SHT11实现。温湿度传感器SHT11将湿度测量、温度测量、信号变换、A/D转换等功能集合到一个芯片上，该芯片包含一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这个两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该信号首先进入微弱信号放大器进行信号放大，然后进入一个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，采用数码管显示所测湿度。图1为系统方框图。

4 硬件选用与设计

4.1 SHT11温湿度传感器

本实验所选用传感器为SHT11温湿度传感器。SHT11是瑞士Sensirion 公司生产的具有I^2C 总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSensTM 技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

4.1.1 SHT11引脚说明

SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)

表面贴片封装形式，管脚排列如图１所示，

其引脚说明如下：

（1）GND ：接地端；

（2）DATA ：双向串行数据线；

（3）SCK ：串行时钟输入；

（4）VDD 电源端：0.4～5.5V 电源端；

（5～8）NC ：空管脚。

4.1.2 SHT11温湿度传感器的主要特性

SHT11温湿度传感器的主要特性如下：

（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D 转换、I^2C 总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM 技术）；

（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；

（3）带有工业标准的I^2C 总线数字输出接口；

（4）具有露点值计算输出功能； 湿度采集电路 湿度采集电路

A/D 转换 AT89C 51单片机

系统 显 示单 元 图1 系统框图

图2 SHT11引脚图

（5）具有卓越的长期稳定性；

（6）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；

（7）小体积（7.65x5.08x23.5mm），可表面贴装；

（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；

（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性;

（10）电源电压范围为2.4～5.5V;

（11）电流消耗,测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。

4.1.3 SHT11温湿度传感器内部结构及其工作原理

SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。COMSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准I^2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11传感器的内部结构框图如图3所示。

图3 SHT11内部结构框图

SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I^2C总线器件，从而

将数字信号转换为符合I^2C总线协议的串行数字信号。

由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。最后，传感器可直接通过I^2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。

4.1.4 命令与接口时序

（1）传输开始

初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。接下来的命令顺序包含三个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位，当DATA脚的ACK 位处于低电位时，表示SHT11正确收到命令。

（2）连接复位顺序

如果与SHT11传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：即当DATA 线处于高电平时，触发SCK 9次以上（含9次），此后应接着发一个“传输开始”命令。