SHT1x系列温湿度传感器的驱动设计与实现
MEMS/传感技术
描述
在我们的产品中，经常需要检测温湿度数据。有很多检测温湿度的方法和模块，其中SHT1x系列温湿度传感器就是一种成本较低使用方便的温湿度检测模块。下面我们就来说一说如何实现SHT1x系列温湿度传感器的驱动。
1 、功能概述
SHT1x包括 SHT10， SHT11 和 SHT15 属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。
1.1 、硬件描述
SHT1x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，并在同一芯片上，与14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。其引脚定义如下：
SHT1x温湿度传感器使用的2线通讯，类似于I2C总线，但并不相同，使用普通的GPIO就可实现通讯。此次采用STM32F103VET6来操作SHT15，具体的连接方式如下：
SCK 用于微处理器与SHT1x 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK 频率。
DATA 引脚为三态结构，用于读取传感器数据 . 当向传感器发送命令时， DATA 在 SCK 上升沿有效且在 SCK 高电平时必须保持稳定。 DATA 在 SCK 下降沿之后改变。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O 电路中。
1.2 、数据通讯
选择供电电压后将传感器通电，上电速率不能低于1V/ms。通电后传感器需要11ms 进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。
SHT1x温湿度传感器采用一组“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化。而后续命令包含三个地址位（目前只支持000”），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）。SHT1x温湿度传感器的指令表如下：
后续我们开发SHT1x温湿度传感器的驱动时，就是通过这些操作命令来实现不同的操作。
1.3 、数据计算
湿度的测量数据并不是一个线性变化的过程湿度的非线性，为获得更为精确的测量数据，我们一般要采用非线性补偿公式进行信号转换。湿度的非线性补偿公式及参数如下：
一般来说，传感器湿度的校准都是在一定的参考温度下进行的，但在我们的使用过程中，实际温度与测试参考温度25℃ (~77℉)明显是不同的，所以我们需要对实际的湿度数据进行补偿。湿度的温度补偿公式及系数如下：
SHT1x系列温湿度传感器的温度传感器采用的能隙材料PTAT。而能隙材料PTAT一般与绝对温度存在正比关系，因而温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出(SOT)转换为温度值，温度转换系数如下：
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。露点的计算方法很多，绝大多数都很复杂。 对于-40 – 50°C 温度范围的测量，通过下面的的公式可得到较好的精度。
通过上述几个公式就可以计算出SHT1x监测的温度、湿度及露点数据。
2 、驱动设计与实现
我们已经了解了SHT1x系列温湿度传感器基本技术特性，接下来我们进一步考虑如何设计并实现SHT1x系列温湿度传感器的驱动。
2.1 、对象定义
在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要SHT1x系列温湿度传感器就需要先定义SHT1x系列温湿度传感器的对象。
2.1.1 、对象的抽象
我们要得到SHT1x系列温湿度传感器对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含两方面的特性：属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下SHT1x系列温湿度传感器的对象。
先来考虑属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑SHT1x系列温湿度传感器对象属性。首先SHT1x系列温湿度传感器有一个状态寄存器，用于表示状态和配置操作特性，所以我们将读取的状态寄存器的数据作为标识SHT1x系列温湿度传感器对象的一个属性。我们根据前面SHT1x系列温湿度传感器的数据计算公式可知，温度单位和工作电压对温度测量结果的计算有直接影响，所以我们将温度单位和工作电压也作为SHT1x系列温湿度传感器对象的属性，用于区别计算过程。此外温度、湿度、露点的数据我们将其作为属性用于记录当前状态。
接着我们还需要考虑SHT1x系列温湿度传感器对象的操作问题。我们是使用GPIO来模拟数字通讯，所以SCK引脚和DATA引脚都需要控制输出，而控制函数的实现与具体的硬件相关，所以我们将控制这两个引脚输出的函数作为对象的操作。对于DATA引脚还有可能需要控制方向和读取输入，同样的原因我们也将其作为对象的操作。此外，我们在与SHT1X通讯时需要控制时钟，以及操作等待都是与硬件有关系的时间操作，所以我们也将其作为对象的操作。
根据上述我们对SHT1x温湿度传感器的分析，我们可以定义SHT1x温湿度传感器的对象类型如下：
1 /* 定义SHT1x对象类型 */
2 typedef struct Sht1xObject {
3 uint8_t statusReg; //状态寄存器
4 uint32_t period; //SCK时钟周期
5 SHT1xTempUnitType tempUnit; //温度单位
6 float vdd; //工作电压
7 float temperature; //温度
8 float humidity; //湿度
9 float dewPoint; //露点
10 SHT1xSetBusPin *SetBusPin; //总线操作函数
11 uint8_t (*ReadSDABit)(void); //读数据总线函数
12 void (*SDADirection)(SHT1xIODirectionType direction); //数据总线方向控制函数
13 void (*Delayus)(volatile uint32_t period); //微秒延时函数
14 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //毫秒秒延时函数
15 }Sht1xObjectType;
2.1.2 、对象初始化
我们知道，一个对象仅作声明是不能使用的，我们需要先对其进行初始化，所以这里我们来考虑SHT1x系列温湿度传感器对象的初始化函数。一般来说，初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理；二是为对象的属性赋初值；三是对对象作必要的初始化配置。据此我们设计SHT1x系列温湿度传感器对象的初始化函数如下：
1 /* 初始化SHT1x对象 */
2 void SHT1xInitialization(Sht1xObjectType *sht，
3 uint32_t sck，
4 float vdd，
5 SHT1xTempUnitType uint，
6 SHT1xHeaterType heater，
7 SHT1xOTPType otp，
8 SHT1xResolutionType resolution，
9 SHT1xSetBusPin setSckPin，
10 SHT1xSetBusPin setDataPin，
11 SHT1xReadSDABit readSDA，
12 SHT1xSDADirection direction，
13 SHT1xDelay delayus，
14 SHT1xDelay delayms)
15 {
16 uint8_t regSetup=0x00;
17 uint8_t heaterSet[]={ONCHIPHEATERDISABLE，ONCHIPHEATERENABLE}; //是否启用片内加热配置集
18 uint8_t otpSet[]={OTPENABLE，OTPDISABLE}; //是否加载OTP配置集
19 uint8_t dpiSet[]={HIGH_RESOLUTION_DATA，LOW_RESOLUTION_DATA}; //数据分辨率配置集
20
21 if((sht==NULL)||(setSckPin==NULL)||(setDataPin==NULL)
22 ||(readSDA==NULL)||(delayus==NULL)||(delayms==NULL))
23 {
24 return;
25 }
26
27 setBusPin[0]=setSckPin;
28 setBusPin[1]=setDataPin;
29 sht->SetBusPin=setBusPin;
30 sht->ReadSDABit=readSDA;
31 sht->Delayus=delayus;
32 sht->Delayms=delayms;
33
34 if(direction!=NULL)
35 {
36 sht->SDADirection=direction;
37 }
38 else
39 {
40 sht->SDADirection=DefaultSDADirection;
41 }
42
43 /*初始化速度，默认100K*/
44 if((sck>0)&&(sck<=500))
45 {
46 sht->period=500/sck;
47 }
48 else
49 {
50 sht->period=5;
51 }
52
53 sht->temperature=0.0;
54 sht->humidity=0.0;
55 sht->dewPoint=0.0;
56 sht->vdd=vdd;
57 sht->tempUnit=uint;
58
59 regSetup=regSetup|heaterSet[heater]|otpSet[otp]|dpiSet[resolution];
60
61 WriteStatusRegister(sht，®Setup);
62
63 sht->Delayms(10);
64
65 ReadStatusRegister(sht);
66 }
2.2 、对象操作
我们已经完成了SHT1x系列温湿度传感器对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息，接下来我们还要实现面向SHT1x温湿度传感器的各类操作。
2.2.1 、启动通讯
每次发起与SHT1x温湿度传感器的通讯都需要用一组“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变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。启动通讯时序如下图：
根据上述时序图我们可以实现启动通讯的操作函数如下：
1 /*SHT1X启动时序操作*/
2 static void StartSHT1XOperation(Sht1xObjectType *sht)
3 {
4 /*将data线设置为输出模式*/
5 sht->SDADirection(Out);
6
7 sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
8 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
9 sht->Delayus(sht->period);
10
11 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
12 sht->Delayus(sht->period);
13 sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xReset);
14 sht->Delayus(sht->period);
15 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
16 sht->Delayus(sht->period);
17 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
18 sht->Delayus(sht->period);
19 sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
20 sht->Delayus(sht->period);
21 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
22 }
2.2.2 、复位通讯
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。接着发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。具体的时序图如下：
根据上述的时序图，我们设计通讯复位操作函数如下：
1 /*SHT1X通讯复位*/
2 void ResetSHT1XCommunication(Sht1xObjectType *sht)
3 {
4 /*将data线设置为输出模式*/
5 sht->SDADirection(Out);
6 sht->Delayms(1);
7
8 sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
9 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
10
11 for(int i=0;i<9;i++)
12 {
13 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
14 sht->Delayus(sht->period);
15 sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
16 sht->Delayus(sht->period);
17 }
18
19 StartSHT1XOperation(sht);
20 }
2.2.3 、数据获取
在前面我们已经了解了SHT1x通讯命令，根据命令定义，我们发送命令“00000101”就表示相对湿度RH测量，发送命令“00000011”就表示温度T的测量。测量过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit分辨率。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。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验（可选择读取）。控制器需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB 开，右值有效（例如：对于12bit 数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit 数据，首字节则无意始义）。
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。数据测量时序图如下所示：
根据上述描述和时序图，我们可以实现温湿度数据的获取函数如下：
1 /*获取SHT1X的湿度值*/
2 float GetSht1xHumidityValue(Sht1xObjectType *sht)
3 {
4 float humiValue=0.0;
5 uint16_t sorh=0;
6 uint8_t err=0;
7 uint8_t humiCode[2]={0，0};
8 uint8_t checkSum=0;
9
10 StartSHT1XOperation(sht);
11 WriteByteToSht1x(sht，HUMI_MEAS_COMMAND);
12 sht->SDADirection(In);
13
14 if((sht->statusReg&0x01)==0x01)
15 {
16 sht->Delayms(20);
17 }
18 else
19 {
20 sht->Delayms(80);
21 }
22
23 if(sht->ReadSDABit() == 1)
24 {
25 err += 1;
26 }
27 humiCode[0]=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
28 humiCode[1]=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
29 checkSum=ReadByteFromSht1x(sht，noAck);
30 if(CheckCRC8ForSHT1x(humiCode，2，checkSum))
31 {
32 sorh=(humiCode[0]<<8)|humiCode[1];
33 }
34 else
35 {
36 err += 1;
37 }
38
39 if(err != 0)
40 {
41 ResetSHT1XCommunication(sht);
42 }
43 else
44 {
45 humiValue=ConvertHumidityData(sht，sorh);
46 }
47
48 return humiValue;
49 }
2.2.4 、状态寄存器操作
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。SHT1x的状态寄存器可以读或者写。其实写状态寄存器就是配置设备的一些特性，一般情况下在初始化时完成即可。读写状态寄存器的格式如下：
1 /*读状态寄存器*/
2 static uint8_t ReadStatusRegister(Sht1xObjectType *sht)
3 {
4 uint8_t err=0;
5 uint8_t status;
6 uint8_t checkSum;
7
8 StartSHT1XOperation(sht);
9 err=WriteByteToSht1x(sht，READ_STATUS_REGISTER);
10 status=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
11 checkSum=ReadByteFromSht1x(sht，noAck);
12
13 if(CheckCRC8ForSHT1x(&status，1，checkSum))
14 {
15 sht->statusReg=status;
16 }
17 else
18 {
19 err+=1;
20 }
21 return err;
22 }
23
24 /*写状态寄存器*/
25 static uint8_t WriteStatusRegister(Sht1xObjectType *sht，uint8_t *pValue)
26 {
27 uint8_t err=0;
28
29 StartSHT1XOperation(sht);
30 err +=WriteByteToSht1x(sht，WRITE_STATUS_REGISTER);
31 err +=WriteByteToSht1x(sht，*pValue);
32
33 err +=ReadStatusRegister(sht);
34 return err;
35 }
3 、驱动的使用
我们已经设计并实现了SHT1x温湿度传感器驱动，接下来我们还需要对这一驱动进行验证，所以我们要基于此驱动设计一个简单的应用。
3.1 、声明并初始化对象
使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象，所以我们先要使用前面定义的SHT1x温湿度传感器对象类型声明一个SHT1x温湿度传感器对象变量，具体操作格式如下：
Sht1xObjectType sht1x;
声明了这个对象变量并不能立即使用，我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下：
Sht1xObjectType *sht，SHT1X对象变量
uint32_t sck，SCK时钟频率
float vdd，工作电压
SHT1xTempUnitType uint，温度单位
SHT1xHeaterType heater，是否启用加热器设置
SHT1xOTPType otp，是否加在OTP设置
SHT1xResolutionType resolution，测量分辨率设置
SHT1xSetBusPin setSckPin，SCK引脚操作函数
SHT1xSetBusPin setDataPin，DATA引脚操作函数
SHT1xReadSDABit readSDA，读DATA引脚函数
SHT1xSDADirection direction，DATA引脚方向配置函数
SHT1xDelay delayus，微秒延时函数
SHT1xDelay delayms，毫秒延时函数
对于这些参数，对象变量我们已经定义了。时钟频率根据实际输入，以k为单位，默认为100k。工作电压根据实际情况输入。温度单位、加热设置、OTP配置、分辨率配置均为枚举，根据实际情况选择就好了。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：
1 /* 定义GPIO引脚输出操作的函数指针 */
2 typedef void(*SHT1xSetBusPin)(SHT1xPinValueType value);
3
4 /* 读数据总线函数 */
5 typedef uint8_t (*SHT1xReadSDABit)(void);
6
7 /* 数据总线方向控制函数 */
8 typedef void (*SHT1xSDADirection)(SHT1xIODirectionType direction);
9
10 /* 微秒延时函数 */
11 typedef void (*SHT1xDelay)(volatile uint32_t period);
对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：
1 /*操作SCK引脚，设置高低操作*/
2 static void OperationSckPin(SHT1xPinValueType value)
3 {
4 HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_8，(GPIO_PinState)value);
5 }
6
7 /*操作DATA引脚，设置高低操作*/
8 static void OperationDataPin(SHT1xPinValueType value)
9 {
10 HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_9，(GPIO_PinState)value);
11 }
12
13 /*读取DATA引脚位*/
14 uint8_t ReadDataPinBit(void)
15 {
16 return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB，GPIO_PIN_9);
17 }
18
19 /*将DATA线设置为输入输出方向模式*/
20 void SetDataPineDirection(SHT1xIODirectionType direction)
21 {
22 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
23
24 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
25 if(direction)
26 {
27 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
28 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
29 }
30 else
31 {
32 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
33 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
34 }
35 HAL_GPIO_Init(GPIOB， &GPIO_InitStruct);
36 }
对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：
SHT1xInitialization(&sht1x，100，3.3，DegreeCentigrade，SHT1xHeaterDisable，SHT1xOTPEbable，SHT1xHighResolution，OperationSckPin，OperationDataPin，ReadDataPinBit，SetDataPineDirection，Delayus，HAL_Delay);
这里我们将SHT1x对象初始化为速度100k，3.3伏工作电压，采用摄氏温度单位，禁用片上加热器，加载OTP并使用高分辨率。
3.2 、基于对象进行操作
我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值，接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。
这里我们设计一个简单应用，使用SHT1X温湿度传感器获取温度、湿度及露点数据，具体实现如下：
1 /* 获取SHT1X数据 */
2 void GetSHT1xData(void)
3 {
4 float temperature=0.0;
5 float humidity=0.0;
6 float dewPoint=0.0;
7
8 GetSht1xMeasureValue(&sht1x);
9
10 temperature=sht1x.temperature;
11 humidity=sht1x.humidity;
12 dewPoint=sht1x.dewPoint;
13 }
4 、应用总结
我们实现了SHT1X温湿度传感器的驱动，并使用这一驱动开发了简单的验证应用。所得到的结果与我们预期的结果是一致的，这说明我们的驱动开发没有问题。
在使用驱动程序时需要注意一点，对象有一个控制DATA总线引脚输入输出方向的操作。对于一般情况下我们编写引脚的输入输出方向控制函数，在初始化函数中将函数指针作为参数传入即可。如果硬件上可以配置为开漏输出，则可以不用单独控制引脚的输入输出方向。在初始化函数中以NULL作为参数输入。
关于通讯速率问题需要注意。在不同工作电压时所支持的最大通讯速率是不同的，但不论如何我都能支持到1MHz，所以没有特殊要求，电压的影响可以不用考虑。在我们的驱动中，最多能支持到500kHz，这主要是考虑到SHT1X的典型速度只有100k，而且大多数应用中不会有高速要求。
完整的源代码可在GitHub下载：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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