氡及其子體的測量是一個涵蓋智能儀器、核輻射探測、核技術應用、環境評價、工業計量、工業自動化、計算機通信與軟件等多領域的問題。然而氡及其子體濃度受溫濕度的影響很大，因此溫濕度的測量對于測氡儀來說是非常重要的。傳統的模擬式溫濕度傳感器一般都要涉及信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。應用專利的工業COMS過程微加工技術（CMOSens），確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。系統采用S3C2440A作為微控制器，S3C2440A采用ARM920T內核，提供了一套完整的通用系統外設，有130個多功能輸入/輸出端口，所以在設計時直接利用S3C2440A的通用I/O口來模擬通信時序控制SHT15,整個電路設計簡單。

1 SHT15簡介

1.1 SHT15性能特點

SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。其主要特點如下：

1）將溫濕度感測、信號變換、A/D轉換和I2C總線接口等功能集成到一個芯片上；

2）提供兩線數字串行接口SCK和DATA,并支持CRC傳輸校驗；

3）測量精度可編程調節，內置A/D轉換器；

4）提供溫度補償和濕度測量值以及高質量的露點計算功能；

5）由于采用了CMOSensTM技術，可浸入水中進行測量。

1.2 SHT15性能參數

SHT15的性能參數如下：

1）濕度測量范圍：0~100%RH;2）溫度測量范圍：-40~+123.8℃；3）濕度測量精度：±2.0%RH;4）溫度測量精度：±0.3℃；5）響應時間：8 s（tau63%）；6）可完全浸沒。

由于該款溫濕度傳感器具有高精度，并能浸入水中測量等特點，而所設計的測氡儀要求具有測量土壤、大氣，水中氡濃度的功能，因此采用該款溫濕度傳感器完全滿足要求。

1.3 SHT15內部結構及工作原理

數字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD（LCC）表面貼片封裝形式，如圖1所示。其中引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2.4~5.5 VDC,為了達到傳感器的最高精確度，供電電壓為3.3 V為宜。引腳2為數據線，引腳3為時鐘線，引腳5~8為空管腳。

數字式溫濕度傳感器SHT15將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內部結構如圖2所示。

該芯片包括1個電容性聚合體濕度敏感元件和1個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入1個14位的A/D轉換器，最后經過二線串行數字接口輸出數字信號。SHT15在出廠前，都會在恒濕或恒溫環境中進行校準，校準系數存儲在校準寄存器中，在測量過程中，校準系數會自動校準來自傳感器的信號。此功能主要是為了比較加熱前后的溫度和濕度值?？梢跃C合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕（>95%RH）環境中，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時縮短響應時間，提高精度。加熱后SHT15溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。

2 硬件設計

微處理器可通過二線串行數字接口與SHT15進行通信，由于其通信協議與通用的I2C總線協議不兼容，過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統，要使其能協同工作實現信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規則。這個規則就是通信協議。通信協議（communications protocol）是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。協議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義，連接方式，信息發送和接收的時序，從而確保網絡中數據順利地傳送到確定的地方。 所以在設計時直接利用S3C2440A的通用I/O口來模擬通信時序控制SHT15.S3C2440A有130個通用I/O口，共分為9組（GPAGPJ），其中GPG包括16路I/O口。S3C2440A引腳采用289 -FBGA封裝，GPG9及GPG10對應引腳功能圖如表1所示。

設計中利用S3C2440A的GPG9模擬時鐘信號，GPG10來模擬數據信號（數據線需要外接上拉電阻），硬件連接圖如圖3所示。

3 軟件設計

在程序開始，控制器S3C2440A需要用一組"啟動傳輸"時序，來表示數據傳輸的初始化。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變為低電平的啟動，如圖4所示，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。接著SCK變為低電平，隨后又變為高電平，SCK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉為高電平。

控制器發出啟動命令后，接著發出一個后續8為命令碼。后續命令包含3個地址位（目前只支持"000"'）和5個命令位。相應代碼對應的命令集如表2所示。

SHT15接收到上述地址和命令碼后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK;在第9個時鐘下降沿之后，從機釋放DATA（恢復高電平）總線；釋放總線后，從機開始測量當前濕度，測量結束后，再次將DATA總線拉為低電平；主機檢測到DATA總線被拉低后，得知濕度測量已經結束，給出SCK時鐘信號；從機在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節數據；在第9個時鐘下降沿，主機將DATA總線拉低作為ACK信號，主機再次將DATA總線拉低作為接收數據的ACK信號；最后8個SCK下降沿從機發出CRC校驗數據，主機不予應答（NACK）則表示測量結束。

本設計中微處理器為三星公司的S3C2440A,通過對I/O寄存器編程來模擬通信過程。該處理器的I/O口可根據需要設置成輸入、輸出，高阻等狀態。在軟件實現過程中通過子函數來實現I/O口狀態的改變。

以上函數可以實現SCK和DATA總線的各種輸入與輸出狀態。在SHT15的通信中還需要延時函數，設計時采用函數void DelaylIn8（U32 tt）實現軟延時。這樣就能完成對SHT15通信協議的模擬。

4 溫濕度及露點的計算

4.1 相對濕度

SHT15可通過I2C總線直接輸出數字量濕度值，其相對濕度系數輸出特性曲線如圖5所示。

由圖5可知，SHT15的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器非線性以獲取準確數據，采用式（1）來修正輸出數值。

其中C1,C2,C3的值如表3所示，SHT15的相對濕度輸出值（SORH）為12 bit.

4.2 溫度計算及相對濕度的溫度補償

該溫濕度傳感器具有很好的線性，可用式（2）將數字輸出轉換為溫度值。溫度轉換系數如表4所示。

實際測量時利用式（3）修正溫度系數。溫度補償系數如表5所示。

4.3 露點計算

露點是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達到的最低溫度。當空氣的溫度低于露點時，空氣容納不了過多的水份，這些水份會變成霧、露水或霜。具體的計算公式如下：

式中，T為當前溫度值，SORH為相對濕度值，Dp為露點；露點氣溫愈低，飽和水氣壓就愈小。所以對于含有一定量水汽的空氣，在氣壓不變的情況下降低溫度，使飽和水汽壓降至與當時實際的水汽壓相等時的溫度，稱為露點。露點本是個溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因為，當空氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。所以露點與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在100%的相對濕度時，周圍環境的溫度就是露點。露點越小于周圍環境的溫度，結露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥，露點不受溫度影響，但受壓力影響。

5 實驗結果

采用測氡儀對室內氡濃度進行測量，同時測量溫濕度，為了保證測量的準確性，在不同地方對大氣中進行了測量，同時測量測試為20次，求平均值計算，測量結果如表6所示。

6 結束語

本文提出了數字式溫濕度傳感器SHT15在嵌入式系統中的應用方案，并詳細介紹了測氡儀溫濕度測控模塊的設計過程。由于SHT15集成了14位A/D轉換器，采用數字輸出，具有精度高、體積小、抗干擾性強等優點。