在我們的產(chǎn)品中經(jīng)常會遇到溫濕度檢測的需求。可以用于檢測溫濕度的傳感器元件也有很多。我們經(jīng)常使用的SHT各系列數(shù)字溫濕度傳感器來實現(xiàn)應(yīng)用需求。在這里我們將設(shè)計并實現(xiàn)SHT3x系列溫濕度傳感器的驅(qū)動。

1 、功能概述

SHT3x系列溫濕度傳感器是適用于各種應(yīng)用的高品質(zhì)濕度傳感器。SHT3x溫濕度傳感器系列結(jié)合了多種功能和各種接口適合各類應(yīng)用。

1.1 、硬件描述

SHT3x建立在全新和優(yōu)化的CMOSens?芯片之上，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品可靠性和精度規(guī)格。SHT3x提供了一系列新功能，如增強(qiáng)信號處理、兩個獨特和用戶可選I2C地址、一個可編程溫濕度極限的報警模式，以及高達(dá)1 MHz的通信速度。SHT3x系列溫濕度傳感器的引腳排布及說明如下圖所示：

SHT3x系列溫濕度傳感器適用于2.15至5.5 V的寬電源電壓范圍。電源插腳必須與一個100nf電容解耦，該電容應(yīng)盡可能靠近傳感器。

SCL和SDA線都是開放式I/O，帶有到VDD和VSS的二極管。它們應(yīng)該連接到外部上拉電阻。I2C總線上的設(shè)備必須只驅(qū)動線路到地面。外部上拉電阻必須把信號高。上拉電阻可能包括在微控制器的I/O電路中。SHT3x系列溫濕度傳感器接線方式如下圖：

SCL用于同步微控制器與傳感器之間的通信。時鐘頻率可以自由選擇在0到1000千赫之間。支持根據(jù)I2C標(biāo)準(zhǔn)伸縮時鐘的命令。SDA引腳用于在傳感器之間傳輸數(shù)據(jù)。頻率高達(dá)400khz的通信必須滿足I2C快速模式標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 、信息通訊

SHT3x系列溫濕度傳感器支持I2C快速模式(頻率高達(dá)1000千赫)?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)挠脩裘顔⒂煤徒脮r鐘拉伸。

向傳感器發(fā)送一個命令后，傳感器需要最少等待1ms的時間才能接收到另一個命令。所有SHT3x命令和數(shù)據(jù)都映射到16位地址空間。此外，數(shù)據(jù)和命令由CRC校驗和保護(hù)。這增加了通信的可靠性。傳感器的16位命令已經(jīng)包含一個3位CRC校驗和。傳感器發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)總是由一個8位CRC來完成。在寫方向上，必須傳輸校驗和，因為SHT3x只接受后面跟著正確校驗和的數(shù)據(jù)。在讀取方向上，由主程序讀取和處理校驗和。

SHT3x系列溫濕度傳感器可以通過ADDR引腳設(shè)置設(shè)備的通訊地址。請注意，I2C地址是通過I2C讀寫頭的7個msb表示的，LSB在讀寫操作之間切換。具體的地址如下：

1.3 、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

測量數(shù)據(jù)總是以16位無符號整數(shù)的形式傳輸。這些值已經(jīng)線性化，并補(bǔ)償了溫度和電源電壓的影響?？梢允褂煤唵蔚墓綄⑦@些原始值轉(zhuǎn)換為物理量值。相對濕度換算公式(結(jié)果為%RH)：

溫度轉(zhuǎn)換公式(結(jié)果為攝氏度和華氏度)：

SRH和ST分別表示原始傳感器輸出的濕度和溫度。只有當(dāng)SRH和ST用十進(jìn)制表示時，這些公式才能正確工作。

2 、驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

我們已經(jīng)了解了SHT3x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)計并實現(xiàn)SHT3x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SHT3x系列溫濕度傳感器就需要先定義SHT3x系列溫濕度傳感器的對象。

2.1.1 、對象的抽象

我們要得到SHT3x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SHT3x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SHT3x系列溫濕度傳感器對象屬性。作為一個I2C總線設(shè)備，設(shè)備地址用于標(biāo)識設(shè)備在總線上的唯一性，所以我們將設(shè)備地址作為SHT3x對象的一個屬性。對于每一個SHT3x設(shè)備都有一個電子標(biāo)識碼，它是標(biāo)識SHT3x設(shè)備個體的東西，所以我們將其作為SHT3x對象的屬性。此外，溫濕度的當(dāng)前值標(biāo)識了當(dāng)前的狀態(tài)我們將其作為兩個屬性。還有SHT3x的狀態(tài)寄存器也是記錄SHT3x配置及工作狀態(tài)的，所以我們也將其作為SHT3x對象的屬性。

接著我們還需要考慮SHT3x系列溫濕度傳感器對象的操作問題。作為數(shù)字通訊設(shè)備，我們向其發(fā)送數(shù)據(jù)和從其接收數(shù)據(jù)都是必要，但接收與發(fā)送數(shù)據(jù)依賴于所處的硬件平臺，所以我們將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)作為SHT3x對象的兩個操作?；跁r序操作的需要，在通訊過程中需要作延時處理，但如何實現(xiàn)延時依賴于具體的硬件平臺，所以我們也將延時處理作為SHT3x對象的一個操作。

根據(jù)上述我們對SHT3x溫濕度傳感器的分析，我們可以定義SHT3x溫濕度傳感器的對象類型如下：

/* 定義SHT3x對象類型 */
typedef structSHT3xObject{
  uint8_t devAddress;           // SHT3x對象的地址
  SHT3xStatusRegister status;          // SHT3x狀態(tài)及存期的值
  uint32_t serialNumber;        // SHT3x對象的序列號
  float temperature;
  float humidity;
  void (*Delayms)(volatile uint32_tnTime);       //延時操作指針
  void (*Receive)(uint8_t devAddress，uint8_t *rData，uint16_t rSize);    //接收數(shù)據(jù)操作指針
  void (*Transmit)(uint8_t devAddress，uint8_t *tData，uint16_t tSize);   //發(fā)送數(shù)據(jù)操作指針
}SHT3xObjectType;

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SHT3x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。一是檢查輸入參數(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。這里我們就從這幾個方面入手設(shè)計SHT3x系列溫濕度傳感器對象的初始化函數(shù)。

/* SHT3x對象初始化 */
SHT3xErrorTypeSHT3xInitialization(SHT3xObjectType *sht，
                                  uint8_t address，
                                  SHT3xTransmit transmit，
                                  SHT3xReceive receive，
                                  SHT3xDelayms delayms)
{
 SHT3xErrorType error=SHT3X_NO_ERROR;
 if((sht==NULL)||(transmit==NULL)||(receive==NULL)||(delayms==NULL))
 {
    returnSHT3X_PARM_ERROR;
  }
      
 sht->Transmit=transmit;
 sht->Receive=receive;
 sht->Delayms=delayms;
      
 sht->temperature=0.0;
 sht->humidity=0.0;
 
 if((address==0x44)||(address==0x45))
 {
   sht->devAddress=(address<<1);
 }
 else if((address==0x88)||(address==0x8A))
 {
   sht->devAddress=address;
 }
 else
 {
   sht->devAddress=0;
   error|=SHT3X_PARM_ERROR;
 }
      
 sht->status.word=0;
 error|=SHT3xReadStatusRegister(sht);
             
 if(error==SHT3X_NO_ERROR)
 {
   error|=SHT3xReadSerialNumber(sht);
 }
 
 return error;
}

2.2 、對象操作

我們已經(jīng)完成了SHT3x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。但我們的主要目標(biāo)是獲取對象的信息，接下來我們還要實現(xiàn)面向SHT3x溫濕度傳感器的各類操作。

2.2.1 、單次測量

SHT3X溫濕度傳感器有一種單次測量模式。這種模式只按我們規(guī)定的方式運行一次，測量通信序列由一個啟動條件、I2C寫標(biāo)頭和一個16位測量命令組成。在傳感器完成測量后，通過發(fā)送一個START條件和一個I2C讀標(biāo)頭，主控可以讀取測量結(jié)果。具體的格式如下：

根據(jù)這一單次數(shù)據(jù)測量并讀取的流程圖，我們可以很方便的得到單次讀取SHT3X溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的程序。

/* 獲取一次性采集 */
SHT3xErrorTypeSHT3xGetSingleShotData(SHT3xObjectType *sht，SHT3xRepeatabilityrepeatability，SHT3xMode mode)
{
  SHT3xErrorType error=SHT3X_NO_ERROR;
  uint8_t data[6];
  uint16_t tempCode;
  uint16_t humiCode;
 
  SHT3xCommandscommands[2][3]={{CMD_MEAS_CLOCKSTR_H， // 單次數(shù)據(jù)采集模式，時鐘延展，高重復(fù)性
                                CMD_MEAS_CLOCKSTR_M， // 單次數(shù)據(jù)采集模式，時鐘延展，中重復(fù)性
                                CMD_MEAS_CLOCKSTR_L， // 單次數(shù)據(jù)采集模式，時鐘延展，低重復(fù)性
                                }，
                               {CMD_MEAS_POLLING_H，  // 單次數(shù)據(jù)采集模式，輪詢，高重復(fù)性
                                CMD_MEAS_POLLING_M，  // 單次數(shù)據(jù)采集模式，輪詢，中重復(fù)性
                                CMD_MEAS_POLLING_L，  // 單次數(shù)據(jù)采集模式，輪詢，低重復(fù)性
                                }};
 
  SHT3xWriteCommand(sht，commands[mode][repeatability]);
 
  if(mode==MODE_CLKSTRETCH)
  {
    sht->Delayms(1);
  }
  else if(mode==MODE_POLLING)
  {
    sht->Delayms(20);
  }
 
  sht->Receive(sht，data，6);
 
  error|=CheckCRC8ForSHT3x(&data[0]，2，data[2]);
 
  error|=CheckCRC8ForSHT3x(&data[3]，2，data[5]);
 
  if(error==SHT3X_NO_ERROR)
  {
    tempCode=(data[0]<<8)+data[1];
    humiCode=(data[3]<<8)+data[4];
   
   sht->temperature=CalcTemperatureValue(tempCode);
   sht->humidity=CalcHumidityValue(humiCode);
  }
 
  return error;
}

2.2.2 、周期測量

SHT3X溫濕度傳感器還有一種周期性檢測數(shù)據(jù)的方式。這種方式先將SHT3X溫濕度傳感器配置為周期獲取模式。在這一模式下就可以周期獲取數(shù)據(jù)了。周期獲取數(shù)據(jù)的格式如下圖：

根據(jù)上述周期讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)順序圖我們可以編寫周期獲取的程序如下：

/* 讀取周期性采集的數(shù)據(jù) */
SHT3xErrorTypeSHT3xFetchPeriodicMeasurmentData(SHT3xObjectType *sht)
{
 SHT3xErrorType error=SHT3X_NO_ERROR;
 uint8_t data[6];
 uint16_t tempCode;
 uint16_t humiCode;
 
 SHT3xWriteCommand(sht，CMD_FETCH_DATA);
 
 sht->Delayms(1);
 
 sht->Receive(sht，data，6);
 
 error|=CheckCRC8ForSHT3x(&data[0]，2，data[2]);
 
 error|=CheckCRC8ForSHT3x(&data[3]，2，data[5]);
 
 if(error==SHT3X_NO_ERROR)
 {
   tempCode=(data[0]<<8)+data[1];
   humiCode=(data[3]<<8)+data[4];
   
   sht->temperature=CalcTemperatureValue(tempCode);
   sht->humidity=CalcHumidityValue(humiCode);
 }
 
 return error;
}

2.2.3 、系統(tǒng)復(fù)位

對于SHT3X來說系統(tǒng)復(fù)位包括的內(nèi)容比較多，有接口復(fù)位、軟件復(fù)位、廣播復(fù)位和硬件復(fù)位引腳復(fù)位。這里我們需要考慮的主要是軟件復(fù)位，其操作方式如下圖：

根據(jù)上圖我們可以很輕松的實現(xiàn)軟件復(fù)位操作。

2.2.4 、內(nèi)部加熱器

SHT3x配備了內(nèi)部加熱器，但僅用于可靠性檢查。加熱器可以通過命令開關(guān)，控溫范圍大約在幾度范圍之內(nèi)。其狀態(tài)可在狀態(tài)寄存器中查看，默認(rèn)加熱器是關(guān)閉。器操作命令如下：

但是不建議操作加熱器。

2.2.5 、狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器包含有關(guān)加熱器運行狀態(tài)、警報模式以及最后一個命令的執(zhí)行狀態(tài)和最后一個寫序列的信息。讀取狀態(tài)寄存器的命令如下所示：

狀態(tài)寄存器的第15、11、10、4位等是我們關(guān)系比較多的，這些報警標(biāo)志位可以通過命令清楚。根據(jù)上述數(shù)據(jù)字節(jié)流圖我們可以得到讀狀態(tài)寄存器的函數(shù)如下：

/* 讀取狀態(tài)寄存器的值 */
SHT3xErrorTypeSHT3xReadStatusRegister(SHT3xObjectType *sht，SHT3xStatusRegister*status)
{
 SHT3xErrorType error=SHT3X_NO_ERROR;
 uint8_t sta[3];
 
 SHT3xWriteCommand(sht，CMD_READ_STATUS);
 
 sht->Delayms(1);
 
 sht->Receive(sht，sta，3);
 
 error|=CheckCRC8ForSHT3x(&sta[0]，2，sta[2]);
 
 if(error==SHT3X_NO_ERROR)
 {
   status->word=(sta[0]<<8)+sta[1];
 }
 else
 {
   status->word=0;
 }
 
 return error;
}

3 、驅(qū)動的使用

我們已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了SHT3x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)行驗證，所以我們要基于此驅(qū)動設(shè)計一個簡單的應(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SHT3X溫濕度傳感器對象類型聲明一個SHT3X溫濕度傳感器對象變量，具體操作格式如下：

SHT3xObjectTypesht3x;

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)有很多的輸入?yún)?shù)，要求如下：

SHT3xObjectType*sht，待初始化的SHT3X

uint8_t address，設(shè)備地址

SHT3xReceivereceive，接收數(shù)據(jù)函數(shù)指針

SHT3xTransmittransmit，發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)指針

SHT3xDelaymsdelayms，毫秒延時函數(shù)指針

對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。設(shè)備地址則根據(jù)實際的使用地址輸入即可。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：

/* 毫秒延時函數(shù)指針類型 */
typedef void (*SHT3xDelayms)(volatileuint32_t nTime);


/* 接收數(shù)據(jù)函數(shù)指針類型 */
typedef void(*SHT3xReceive)(SHT3xObjectType *sht，uint8_t *rData，uint16_t rSize);


/* 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)指針類型 */
typedef void(*SHT3xTransmit)(SHT3xObjectType *sht，uint8_t *tData，uint16_t tSize);

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。我們的應(yīng)用基于STM32F4平臺實現(xiàn)，接下來將基于我們的平臺實現(xiàn)這些函數(shù)。具體函數(shù)定義如下：

/*從SHT3X接收數(shù)據(jù)*/
static voidReceiveFromSHT3x(SHT3xObjectType *sht，uint8_t *rData，uint16_t rSize)
{
 HAL_I2C_Master_Receive(&sht3xi2c，sht->devAddress，rData， rSize， 1000);
}
 
/*向SHT3X傳送數(shù)據(jù)*/
static void TransmitToSHT3x(SHT3xObjectType*sht，uint8_t *tData，uint16_t tSize)
{
 HAL_I2C_Master_Transmit(&sht3xi2c，sht->devAddress，tData，tSize，1000);
}

對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(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：

SHT3xInitialization(&sht3x，0x88，TransmitToSHT3x，ReceiveFromSHT3x，HAL_Delay);

其中0x88為設(shè)備地址。

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)用實例。

/*獲取溫濕度計數(shù)據(jù)*/
void SHT3xMeasureData(void)
{
 float humidity;
 float temperature;
      
 SHT3xErrorType error=SHT3X_NO_ERROR;
 
 SHT3xStatusRegister status;
 
 error|=SHT3xReadStatusRegister(&sht3x，&status);
 
 if(error!=SHT3X_NO_ERROR)
 {
   return ;
 }
 
 if(status.bit.ResetDetected)
 {
   SHT3xClearStatusRegister(&sht3x);
   
   SHT3xStartPeriodicMeasurment(&sht3x，REPEATAB_HIGH，F(xiàn)REQUENCY_1HZ);
 }
 
 error|=SHT3xFetchPeriodicMeasurmentData(&sht3x);
 
 if(error==SHT3X_NO_ERROR)
 {
   temperature=sht3x.temperature;
   humidity=sht3x.humidity;
 }
}

4 、應(yīng)用總結(jié)

我們已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了SHT3x溫濕度傳感器的驅(qū)動程序，也使用這一驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了讀取SHT3x溫濕度傳感器溫度、濕度數(shù)據(jù)的簡單應(yīng)用。經(jīng)我們測試所得到的結(jié)果是符合我們期望的，這也說明驅(qū)動程序的設(shè)計是成功的。

在使用驅(qū)動時還需注意，在做初始化配置時，對狀態(tài)寄存器的寫操作需注意不得變更預(yù)留位且相關(guān)的預(yù)留位的默認(rèn)值以后可能會改變。因此，在進(jìn)行任何寫用戶寄存器的操作之前，必須先讀預(yù)留位的默認(rèn)值。而且在初始化配置時，還要注意SHT3X 中OTP功能默認(rèn)為禁止?fàn)顟B(tài)，且不推薦用戶使用。

因為SHT3x溫濕度傳感器采用的是標(biāo)準(zhǔn)I2C接口，所以在驅(qū)動設(shè)計中沒有考慮硬件接口相關(guān)的內(nèi)容。我們只專注于SHT3x溫濕度傳感器的配置與操作。所以在使用驅(qū)動程序時，無論是使用硬件I2C收發(fā)控制器還是使用GPIO模擬的軟件收發(fā)控制都需要單獨做相應(yīng)的配置。