基于SHT75的温湿度检测系统的设计

杜海龙，张靖宇，王启鑫，莫浩杰

（1.中国民航大学 工程技术训练中心，天津 300300；2.中国民航大学 航空工程学院，天津 300300；3.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）

0 引 言

随着科技的发展，温湿度测量越来越重要，将测量的环境温湿度作为输入，通过环境控制系统的计算与输出，可为电子设备及仪器的正常运行，冷链运输的保鲜，仓储粮食、药品的安全等提供重要保障[1-6]。在这一过程中，测量精度是闭环系统工作效果的重要影响因素。本文采用具有高精度的SHT75传感器[7]和高速32位单片机STM32F405制作温湿度检测系统，在确保测量精度的基础上，为系统的响应速度提供保证[8]。

1 硬件设计

面向现时段温湿度测量系统的整体布局，采用瑞士盛世瑞恩公司出品的SHT75数字式温湿度传感器作为数据采集部分，将意法半导体（STMicroelectronics）集团出品的STM32F405作为处理器部分，对获取的数据进行处理后传输至显示设备。本系统的显示设备选用PC机，或者使用独立的显示模块。硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

1.1 温湿度传感器

瑞士盛世瑞恩公司出品的SHT75数字式温湿度传感器符合高可靠性与持续稳定等要求，制作工艺精密，能够将传感单位和数据处理小块集成在一个微型电路板中，兼具测温和测湿功能，此外，与之对应的A/D转换器和串行接口可与其完美贴合。虽然传感器电路上集成有很多功能单位和元件，但其制造成本低廉，具有极高的市场竞争力。

考虑到测量环境以及测量方式，传感器元件中集成的传感元件对集成环境具有特殊要求，如测湿单元需集成在一个精致的湿度小腔体内。考虑到用户后续对数据进行调节的需求，可选用OPT存储器存放精确实验校准系数。传感器接口除了必要的电源和接地端外，只有两线串行接口，通信便捷，在运行过程中配合电压精确调节模块，使得测试过程更加迅速、稳定[9]。

传感器采用的环氧树脂LCP盖下层为FR4针，由铜铍制成，镀镍和金。传感器符合ROHS和WEEE标准，因此不受Pb、Cd、PBDE的影响。虽然传感器电路上集成有很多功能单位和元件，但因其体积小，价格低，因此使用较为广泛。SHT75外形尺寸如图2所示。

图2 SHT75传感器外形尺寸

1.2 单片机

STM32F405系列单片机拥有高达4 mm×4.2 mm的高集成度、高性能、嵌入式存储器和外设，与提供168 MHz的Cortex-M4内核（带浮点单元格）。DSP命令和浮点单位扩大了用户的使用宽度。该系列单片机拥有90 nm工艺和具有动态功率调整功能的ART加速器，工作模式下的消耗[10]为238 μA/MHz。

1.3 PCB设计

经过不断调整和布局，设计出符合要求的单片机模块印刷电路板，它包括单片机最小系统、电源模块、外接传感器接口（4线制的I2C）、显示模块接口（UART串口）。PCB板规格为15 cm×15 cm，如图3所示。

图3 PCB设计电路板

2 软件设计

温湿度测量设计的关键在于软件设计以及数据的计算、补偿、校准和传输。温湿度测量流程如图4所示。

图4 温湿度测量流程

2.1 单片机与传感器通信

SHT75的串行接口针对传感器信号获取和功率消耗问题进行了优化。传感器虽然无法根据I2C规则寻找地址，但如果I2C总线未连接到其他组件，则传感器可以承接I2C总地址线，同时，微控制器必须遵循传感器规则。

读取数据时，单片机先向传感器发送读取命令，等待传感器测量完毕后，将数据分为高有效字节与低有效字节，并将低有效位和校验和发送至单片机。传感器测量时序如图5所示。

图5 测量时序

2.2 数据处理

2.2.1 湿度信号的非线性补偿

湿度的非线性补偿需要参考准确的测量数值，可通过公式（1）进行信号转换：

湿度信号转换公式相关参数见表1所列。

表1 湿度信号转换公式相关参数

2.2.2 湿度信号的温度补偿

由于事实温度和测试标定温度25 ℃（77℉）显著不同，因此需要进行温度补偿：

温度补偿系数见表2所列。

表2 温度补偿系数

2.2.3 计算温度

PTAT开发的温度传感器具有优异的线性度。数字输出（SOT）可以使用下式转换为温度数据：

温度转换公式相关系数见表3所列。

表3 温度转换公式相关系数

2.2.4 计算露点

SHT75无法直接测量露点温度，但可通过温湿度读数计算露点。

在同一集成电路上测量的温度和湿度可用于获取露点。露点计算方法非常多，但大多数都极其复杂，因此可以通过下式获得更好的精度：

露点计算参数见表4所列。

表4 露点（Td）计算参数

3 系统调试

为了使所设计的系统更加可靠、高效，必须进行不断调试。本系统的调试环节包括对传感器收集到的数值进行计算、调试，以及其他模块的初步调节。

3.1 SHT75采集数据的修正

SHT75采集的数据并不是可直接利用的温湿度数据，而是8位二进制数，所以需要利用公式进行转化，另外湿度方面还需考虑温度对其的影响，进行补偿。露点温度在前两者的基础上进行计算，通过公式转化和处理后，在实验室内测得连续的数值。实验结果由电脑软件（串口助手）显示，但其只能显示十六进制数值，所以获取的结果需通过单位换算得到。对获取的数值进行进制换算和整理后得到的修正后数据见表5所列。

表5 修正后数据

实验室在较短时间内环境变化较小，所以连续测量得到的结果未发生较大波动，加之传感器测量的是局部温湿度，因此结果不能代表整个实验室的环境特性。为了验证测量数据的准确性，本实验选用一个温湿度测量器件作为基准数据进行比对，在比对过程中，基准元件和试验元件均处在同一测量环境中，以保证测量对象统一。用上述数据与实验室中的基准数据进行比对，发现误差处在要求范围内，调试正常。

3.2 系统整体调试

为了查看传感器测量的反应速度，将人为改变传感器附近的温湿度。用手掌握住传感器后再松开，反复测试（人体在接触传感器或站在传感器附近时，可以快速引起附近温度的上升，并且受手掌汗腺的影响，传感器附近的湿度也会快速发生变化）。测量包括两组：一组5 s握放，另一组10 s握放。观察其变化并记录，第一组每500 ms记录一次，第二组每1 s记录一次，数据见表6、表7所列。

表6 第一组整体调试的数据（5 s握放）

表7 第二组整体调试的数据（10 s握放）

经过比对，发现所测结果与基准数据一致，且反应时间符合系统的要求，调试达到预期。

4 结 语

基于传感器SHT75与单片机STM32的数字式温湿度测量系统工作正常，实验结果表明了算法的可行性和有效性，通过对比可知，其温度测量的精度为±0.3 ℃，其湿度测量的精度为±1.8%RH，最大温度误差为±1.57 ℃，25 ℃时最大相对湿度误差为±4%RH。该测量系统具有精度高、误差小、性能稳定和布置灵活等特点。