在我們的產品中，經常需要檢測溫濕度數據。有很多檢測溫濕度的方法和模塊，其中SHT1x系列溫濕度傳感器就是一種成本較低使用方便的溫濕度檢測模塊。下面我們就來說一說如何實現SHT1x系列溫濕度傳感器的驅動。

1 、功能概述

　　SHT1x包括 SHT10， SHT11 和 SHT15 屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號。

1.1 、硬件描述

　　SHT1x傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14 位的A/D 轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。其引腳定義如下：

　　SHT1x溫濕度傳感器使用的2線通訊，類似于I2C總線，但并不相同，使用普通的GPIO就可實現通訊。此次采用STM32F103VET6來操作SHT15，具體的連接方式如下：

　　SCK 用于微處理器與SHT1x 之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態邏輯，因而不存在最小SCK 頻率。

　　DATA 引腳為三態結構，用于讀取傳感器數據 . 當向傳感器發送命令時， DATA 在 SCK 上升沿有效且在 SCK 高電平時必須保持穩定。 DATA 在 SCK 下降沿之后改變。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中。

1.2 、數據通訊

　　選擇供電電壓后將傳感器通電，上電速率不能低于1V/ms。通電后傳感器需要11ms 進入休眠狀態，在此之前不允許對傳感器發送任何命令。

　　SHT1x溫濕度傳感器采用一組“啟動傳輸”時序，來完成數據傳輸的初始化。而后續命令包含三個地址位（目前只支持000”），和五個命令位。SHT1x 會以下述方式表示已正確地接收到指令：在第8 個SCK 時鐘的下降沿之后，將DATA 下拉為低電平（ACK 位）。在第9 個SCK 時鐘的下降沿之后，釋放DATA（恢復高電平）。SHT1x溫濕度傳感器的指令表如下：

　　后續我們開發SHT1x溫濕度傳感器的驅動時，就是通過這些操作命令來實現不同的操作。

1.3 、數據計算

　　濕度的測量數據并不是一個線性變化的過程濕度的非線性，為獲得更為精確的測量數據，我們一般要采用非線性補償公式進行信號轉換。濕度的非線性補償公式及參數如下：

　　一般來說，傳感器濕度的校準都是在一定的參考溫度下進行的，但在我們的使用過程中，實際溫度與測試參考溫度25℃ (~77℉)明顯是不同的，所以我們需要對實際的濕度數據進行補償。濕度的溫度補償公式及系數如下：

　　SHT1x系列溫濕度傳感器的溫度傳感器采用的能隙材料PTAT。而能隙材料PTAT一般與絕對溫度存在正比關系，因而溫度傳感器具有極好的線性?？捎萌缦鹿綄底州敵?SOT)轉換為溫度值，溫度轉換系數如下：

　　SHT1x 并不直接進行露點測量，但露點可以通過溫度和濕度讀數計算得到.。由于溫度和濕度在同一塊集成電路上測量，SHT1x可測量露點。露點的計算方法很多，絕大多數都很復雜。 對于-40 – 50°C 溫度范圍的測量，通過下面的的公式可得到較好的精度。

　　通過上述幾個公式就可以計算出SHT1x監測的溫度、濕度及露點數據。

2 、驅動設計與實現

我們已經了解了SHT1x系列溫濕度傳感器基本技術特性，接下來我們進一步考慮如何設計并實現SHT1x系列溫濕度傳感器的驅動。

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SHT1x系列溫濕度傳感器就需要先定義SHT1x系列溫濕度傳感器的對象。

2.1.1 、對象的抽象

　　我們要得到SHT1x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SHT1x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識或記錄對象特征的東西。我們來考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象屬性。首先SHT1x系列溫濕度傳感器有一個狀態寄存器，用于表示狀態和配置操作特性，所以我們將讀取的狀態寄存器的數據作為標識SHT1x系列溫濕度傳感器對象的一個屬性。我們根據前面SHT1x系列溫濕度傳感器的數據計算公式可知，溫度單位和工作電壓對溫度測量結果的計算有直接影響，所以我們將溫度單位和工作電壓也作為SHT1x系列溫濕度傳感器對象的屬性，用于區別計算過程。此外溫度、濕度、露點的數據我們將其作為屬性用于記錄當前狀態。

　　接著我們還需要考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象的操作問題。我們是使用GPIO來模擬數字通訊，所以SCK引腳和DATA引腳都需要控制輸出，而控制函數的實現與具體的硬件相關，所以我們將控制這兩個引腳輸出的函數作為對象的操作。對于DATA引腳還有可能需要控制方向和讀取輸入，同樣的原因我們也將其作為對象的操作。此外，我們在與SHT1X通訊時需要控制時鐘，以及操作等待都是與硬件有關系的時間操作，所以我們也將其作為對象的操作。

　　根據上述我們對SHT1x溫濕度傳感器的分析，我們可以定義SHT1x溫濕度傳感器的對象類型如下：

1 /* 定義SHT1x對象類型 */
 2 typedef struct Sht1xObject {
 3        uint8_t statusReg;                                         //狀態寄存器
 4        uint32_t period;                                            //SCK時鐘周期
 5        SHT1xTempUnitType tempUnit;         //溫度單位
 6        float vdd;                                                                     //工作電壓
 7        float temperature;                                         //溫度
 8        float humidity;                                                     //濕度
 9        float dewPoint;                                                    //露點
10        SHT1xSetBusPin *SetBusPin;              //總線操作函數
11        uint8_t (*ReadSDABit)(void);       //讀數據總線函數
12        void (*SDADirection)(SHT1xIODirectionType direction);       //數據總線方向控制函數
13        void (*Delayus)(volatile uint32_t period);    //微秒延時函數
14        void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);     //毫秒秒延時函數
15 }Sht1xObjectType;

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，我們需要先對其進行初始化，所以這里我們來考慮SHT1x系列溫濕度傳感器對象的初始化函數。一般來說，初始化函數需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入參數是否合理；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。據此我們設計SHT1x系列溫濕度傳感器對象的初始化函數如下：

1 /* 初始化SHT1x對象 */
 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};       //是否啟用片內加熱配置集
18        uint8_t otpSet[]={OTPENABLE，OTPDISABLE};                                                                             //是否加載OTP配置集
19        uint8_t dpiSet[]={HIGH_RESOLUTION_DATA，LOW_RESOLUTION_DATA};    //數據分辨率配置集
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，默認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 、對象操作

　　我們已經完成了SHT1x系列溫濕度傳感器對象類型的定義和對象初始化函數的設計。但我們的主要目標是獲取對象的信息，接下來我們還要實現面向SHT1x溫濕度傳感器的各類操作。

2.2.1 、啟動通訊

　　每次發起與SHT1x溫濕度傳感器的通訊都需要用一組“啟動傳輸”時序，來完成數據傳輸的初始化。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，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。啟動通訊時序如下圖：

　　根據上述時序圖我們可以實現啟動通訊的操作函數如下：

1 /*SHT1X啟動時序操作*/
 2 static void StartSHT1XOperation(Sht1xObjectType *sht)
 3 {
 4   /*將data線設置為輸出模式*/
 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 、復位通訊

　　如果與SHT1x通訊中斷，可通過下列信號時序復位：當DATA保持高電平時，觸發SCK時鐘9 次或更多。接著發送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復位串口，狀態寄存器內容仍然保留。具體的時序圖如下：

　　根據上述的時序圖，我們設計通訊復位操作函數如下：

1 /*SHT1X通訊復位*/
 2 void ResetSHT1XCommunication(Sht1xObjectType *sht)
 3 {
 4   /*將data線設置為輸出模式*/
 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 、數據獲取

　　在前面我們已經了解了SHT1x通訊命令，根據命令定義，我們發送命令“00000101”就表示相對濕度RH測量，發送命令“00000011”就表示溫度T的測量。測量過程需要大約20/80/320ms，分別對應8/12/14bit分辨率。SHT1x通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束。控制器在再次觸發SCK時鐘前，必須等待這個“數據備妥”信號來讀出數據。檢測數據可以先被存儲，這樣控制器可以繼續執行其它任務在需要時再讀出數據。

　　接著傳輸2個字節的測量數據和1個字節的CRC奇偶校驗（可選擇讀?。？刂破餍枰ㄟ^下拉DATA為低電平，以確認每個字節。所有的數據從MSB 開，右值有效（例如：對于12bit 數據，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于8bit 數據，首字節則無意始義）。

　　在收到CRC的確認位之后，表明通訊結束。如果不使用CRC-8 校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持ACK高電平終止通訊。在測量和通訊完成后，SHT1x自動轉入休眠模式。數據測量時序圖如下所示：

　　根據上述描述和時序圖，我們可以實現溫濕度數據的獲取函數如下：

1 /*獲取SHT1X的濕度值*/
 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 、狀態寄存器操作

　　SHT1x的某些高級功能可以通過給狀態寄存器發送指令來實現，如選擇測量分辨率，電量不足提醒，使用OTP加載或啟動加熱功能等。SHT1x的狀態寄存器可以讀或者寫。其實寫狀態寄存器就是配置設備的一些特性，一般情況下在初始化時完成即可。讀寫狀態寄存器的格式如下：

1 /*讀狀態寄存器*/
 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 /*寫狀態寄存器*/
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 、驅動的使用

我們已經設計并實現了SHT1x溫濕度傳感器驅動，接下來我們還需要對這一驅動進行驗證，所以我們要基于此驅動設計一個簡單的應用。

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SHT1x溫濕度傳感器對象類型聲明一個SHT1x溫濕度傳感器對象變量，具體操作格式如下：

　　Sht1xObjectType sht1x;

　　聲明了這個對象變量并不能立即使用，我們還需要使用驅動中定義的初始化函數對這個變量進行初始化。這個初始化函數所需要的輸入參數如下：

　　Sht1xObjectType *sht，SHT1X對象變量

　　uint32_t sck，SCK時鐘頻率

　　float vdd，工作電壓

　　SHT1xTempUnitType uint，溫度單位

　　SHT1xHeaterType heater，是否啟用加熱器設置

　　SHT1xOTPType otp，是否加在OTP設置

　　SHT1xResolutionType resolution，測量分辨率設置

　　SHT1xSetBusPin setSckPin，SCK引腳操作函數

　　SHT1xSetBusPin setDataPin，DATA引腳操作函數

　　SHT1xReadSDABit readSDA，讀DATA引腳函數

　　SHT1xSDADirection direction，DATA引腳方向配置函數

　　SHT1xDelay delayus，微秒延時函數

　　SHT1xDelay delayms，毫秒延時函數

　　對于這些參數，對象變量我們已經定義了。時鐘頻率根據實際輸入，以k為單位，默認為100k。工作電壓根據實際情況輸入。溫度單位、加熱設置、OTP配置、分辨率配置均為枚舉，根據實際情況選擇就好了。主要的是我們需要定義幾個函數，并將函數指針作為參數。這幾個函數的類型如下：

1 /* 定義GPIO引腳輸出操作的函數指針 */
 2 typedef void(*SHT1xSetBusPin)(SHT1xPinValueType value);
 3 
 4 /* 讀數據總線函數 */
 5 typedef uint8_t (*SHT1xReadSDABit)(void);
 6 
 7 /* 數據總線方向控制函數 */
 8 typedef void (*SHT1xSDADirection)(SHT1xIODirectionType direction);
 9 
10 /* 微秒延時函數 */
11 typedef  void (*SHT1xDelay)(volatile uint32_t period);

　　對于這幾個函數我們根據樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關系。片選操作函數用于多設備需要軟件操作時，如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數定義如下：

1 /*操作SCK引腳，設置高低操作*/
 2 static void OperationSckPin(SHT1xPinValueType value)
 3 {
 4   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_8，(GPIO_PinState)value);
 5 }
 6  
 7 /*操作DATA引腳，設置高低操作*/
 8 static void OperationDataPin(SHT1xPinValueType value)
 9 {
10   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_9，(GPIO_PinState)value);
11 }
12  
13 /*讀取DATA引腳位*/
14 uint8_t ReadDataPinBit(void)
15 {
16   return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB，GPIO_PIN_9);
17 }
18  
19 /*將DATA線設置為輸入輸出方向模式*/
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 }

　　對于延時函數我們可以采用各種方法實現。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數。于是我們可以調用初始化函數如下：

　　SHT1xInitialization(&sht1x，100，3.3，DegreeCentigrade，SHT1xHeaterDisable，SHT1xOTPEbable，SHT1xHighResolution，OperationSckPin，OperationDataPin，ReadDataPinBit，SetDataPineDirection，Delayus，HAL_Delay);

　　這里我們將SHT1x對象初始化為速度100k，3.3伏工作電壓，采用攝氏溫度單位，禁用片上加熱器，加載OTP并使用高分辨率。

3.2 、基于對象進行操作

　　我們定義了對象變量并使用初始化函數給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數據。我們在驅動中已經將獲取數據并轉換為轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用實例。

　　這里我們設計一個簡單應用，使用SHT1X溫濕度傳感器獲取溫度、濕度及露點數據，具體實現如下：

1 /* 獲取SHT1X數據 */
 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 、應用總結

　　我們實現了SHT1X溫濕度傳感器的驅動，并使用這一驅動開發了簡單的驗證應用。所得到的結果與我們預期的結果是一致的，這說明我們的驅動開發沒有問題。

在使用驅動程序時需要注意一點，對象有一個控制DATA總線引腳輸入輸出方向的操作。對于一般情況下我們編寫引腳的輸入輸出方向控制函數，在初始化函數中將函數指針作為參數傳入即可。如果硬件上可以配置為開漏輸出，則可以不用單獨控制引腳的輸入輸出方向。在初始化函數中以NULL作為參數輸入。

　　關于通訊速率問題需要注意。在不同工作電壓時所支持的最大通訊速率是不同的，但不論如何我都能支持到1MHz，所以沒有特殊要求，電壓的影響可以不用考慮。在我們的驅動中，最多能支持到500kHz，這主要是考慮到SHT1X的典型速度只有100k，而且大多數應用中不會有高速要求。

　　完整的源代碼可在GitHub下載：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver