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

1、功能概述

SHT1x包括 SHT10， SHT11 和 SHT15 屬於Sensirion溫溼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溼敏感元件、一個用能隙材料製成的測溫元件，並在同一芯片上，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溫溼度傳感器使用的2線通訊，類似於I2C總線，但並不相同，使用普通的GPIO就可實現通訊。此次採用STM32F103VET6來操作SHT15，具體的連接方式如下：

SCK 用於微處理器與SHT1x 之間的通訊同步。由於接口包含了完全靜態邏輯，因而不存在最小SCK 頻率。

DATA 引腳爲三態結構，用於讀取傳感器數據 . 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 下降沿之後改變。爲避免信號衝突，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

選擇供電電壓後將傳感器通電，上電速率不能低於1V/ms。通電後傳感器需要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溫溼度傳感器採用一組“啓動傳輸”時序，來完成數據傳輸的初始化。而後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 時鐘的下降沿之後，將DATA 下拉爲低電平（ACK 位）。在第9 個SCK 時鐘的下降沿之後，釋放DATA（恢復高電平）。SHT1x溫溼度傳感器的指令表如下：

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

1.3、數據計算

溼度的測量數據並不是一個線性變化的過程溼度的非線性，爲獲得更爲精確的測量數據，我們一般要採用非線性補償公式進行信號轉換。溼度的非線性補償公式及參數如下：

一般來說，傳感器溼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溼度數據進行補償。溼度的溫度補償公式及係數如下：

SHT1x系列溫溼度傳感器的溫度傳感器採用的能隙材料PTAT。而能隙材料PTAT一般與絕對溫度存在正比關係，因而溫度傳感器具有極好的線性。可用如下公式將數字輸出(SOT)轉換爲溫度值，溫度轉換系數如下：

SHT1x 並不直接進行露點測量，但露點可以通過溫度和溼度讀數計算得到.。由於溫度和溼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，絕大多數都很複雜。對於-40 – 50°C 溫度範圍的測量，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、溼度及露點數據。

2、驅動設計與實現

我們已經瞭解了SHT1x系列溫溼度傳感器基本技術特性，接下來我們進一步考慮如何設計並實現SHT1x系列溫溼度傳感器的驅動。

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系列溫溼度傳感器就需要先定義SHT1x系列溫溼度傳感器的對象。

2.1.1、對象的抽象

我們要得到SHT1x系列溫溼度傳感器對象，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系列溫溼度傳感器的對象。

先來考慮屬性，作爲屬性肯定是用於標識或記錄對象特徵的東西。我們來考慮SHT1x系列溫溼度傳感器對象屬性。首先SHT1x系列溫溼度傳感器有一個狀態寄存器，用於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爲標識SHT1x系列溫溼度傳感器對象的一個屬性。我們根據前面SHT1x系列溫溼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爲SHT1x系列溫溼度傳感器對象的屬性，用於區別計算過程。此外溫度、溼度、露點的數據我們將其作爲屬性用於記錄當前狀態。

接着我們還需要考慮SHT1x系列溫溼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爲對象的操作。對於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爲對象的操作。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係的時間操作，所以我們也將其作爲對象的操作。

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

/* 定義SHT1x對象類型 */
typedef struct Sht1xObject {
       uint8_t statusReg;                  //狀態寄存器
       uint32_t period;                    //SCK時鐘週期
       SHT1xTempUnitType tempUnit;         //溫度單位
       float vdd;                          //工作電壓
       float temperature;                  //溫度
       float humidity;                     //溼度
       float dewPoint;                     //露點
       SHT1xSetBusPin *SetBusPin;          //總線操作函數
       uint8_t (*ReadSDABit)(void);        //讀數據總線函數
       void (*SDADirection)(SHT1xIODirectionType direction);       //數據總線方向控制函數
       void (*Delayus)(volatile uint32_t period);    //微秒延時函數
       void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);     //毫秒秒延時函數
}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，所以這裏我們來考慮SHT1x系列溫溼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；二是爲對象的屬性賦初值；三是對對象作必要的初始化配置。據此我們設計SHT1x系列溫溼度傳感器對象的初始化函數如下：

/* 初始化SHT1x對象 */
void SHT1xInitialization(Sht1xObjectType *sht，
                         uint32_t sck，
                         float vdd，
                         SHT1xTempUnitType uint，
                         SHT1xHeaterType heater，
                         SHT1xOTPType otp，
                         SHT1xResolutionType resolution，
                         SHT1xSetBusPin setSckPin，
                         HT1xSetBusPin setDataPin，
                         SHT1xReadSDABit readSDA，
                         SHT1xSDADirection direction，
                         SHT1xDelay delayus，
                         SHT1xDelay delayms)
{
       uint8_t regSetup=0x00;
       uint8_t heaterSet[]={ONCHIPHEATERDISABLE，ONCHIPHEATERENABLE};       //是否啓用片內加熱配置集
       uint8_t otpSet[]={OTPENABLE，OTPDISABLE};                                                                             //是否加載OTP配置集
       uint8_t dpiSet[]={HIGH_RESOLUTION_DATA，LOW_RESOLUTION_DATA};    //數據分辨率配置集
      
       if((sht==NULL)||(setSckPin==NULL)||(setDataPin==NULL)
        ||(readSDA==NULL)||(delayus==NULL)||(delayms==NULL))
       {
              return;
       }
      
       setBusPin[0]=setSckPin;
       setBusPin[1]=setDataPin;
       sht->SetBusPin=setBusPin;
       sht->ReadSDABit=readSDA;
       sht->Delayus=delayus;
       sht->Delayms=delayms;
      
       if(direction!=NULL)
       {
              sht->SDADirection=direction;
       }
       else
       {
              sht->SDADirection=DefaultSDADirection;
       }
      
       /*初始化速度，默認100K*/
       if((sck>0)&&(sck<=500))
       {
         sht->period=500/sck;
       }
       else
       {
         sht->period=5;
       }
      
       sht->temperature=0.0;
       sht->humidity=0.0;
       sht->dewPoint=0.0;
       sht->vdd=vdd;
       sht->tempUnit=uint;
      
       regSetup=regSetup|heaterSet[heater]|otpSet[otp]|dpiSet[resolution];
      
       WriteStatusRegister(sht，&regSetup);
      
       sht->Delayms(10);
      
       ReadStatusRegister(sht);
}

2.2、對象操作

我們已經完成了SHT1x系列溫溼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溫溼度傳感器的各類操作。

2.2.1、啓動通訊

每次發起與SHT1x溫溼度傳感器的通訊都需要用一組“啓動傳輸”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翻轉爲低電平，緊接着SCK變爲低電平，隨後是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉爲高電平。啓動通訊時序如下圖：

根據上述時序圖我們可以實現啓動通訊的操作函數如下：

/*SHT1X啓動時序操作*/
static void StartSHT1XOperation(Sht1xObjectType *sht)
{
  /*將data線設置爲輸出模式*/
  sht->SDADirection(Out);
 
  sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
  sht->Delayus(sht->period);
 
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
  sht->Delayus(sht->period);
  sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xReset);
  sht->Delayus(sht->period);
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
  sht->Delayus(sht->period);
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
  sht->Delayus(sht->period);
  sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
  sht->Delayus(sht->period);
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
}

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。接着發送一個“傳輸啓動”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：

/*SHT1X通訊復位*/
void ResetSHT1XCommunication(Sht1xObjectType *sht)
{
  /*將data線設置爲輸出模式*/
  sht->SDADirection(Out);
  sht->Delayms(1);
 
  sht->SetBusPin[DataPin](SHT1xSet);
  sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
 
  for(int i=0;i<9;i++)
  {
    sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xSet);
    sht->Delayus(sht->period);
    sht->SetBusPin[SckPin](SHT1xReset);
    sht->Delayus(sht->period);
  }
 
  StartSHT1XOperation(sht);
}

2.2.3、數據獲取

在前面我們已經瞭解了SHT1x通訊命令，根據命令定義，我們發送命令“00000101”就表示相對溼度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至低電平並進入空閒模式，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。

接着傳輸2個字節的測量數據和1個字節的CRC奇偶校驗（可選擇讀取）。控制器需要通過下拉DATA爲低電平，以確認每個字節。所有的數據從MSB 開，右值有效（例如：對於12bit 數據，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對於8bit 數據，首字節則無意始義）。

在收到CRC的確認位之後，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後，通過保持ACK高電平終止通訊。在測量和通訊完成後，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，我們可以實現溫溼度數據的獲取函數如下：

/*獲取SHT1X的溼度值*/
float GetSht1xHumidityValue(Sht1xObjectType *sht)
{
  float humiValue=0.0;
  uint16_t sorh=0;
  uint8_t err=0;
  uint8_t humiCode[2]={0，0};
  uint8_t checkSum=0;
 
  StartSHT1XOperation(sht);
  WriteByteToSht1x(sht，HUMI_MEAS_COMMAND);
  sht->SDADirection(In);
      
  if((sht->statusReg&0x01)==0x01)
  {
     sht->Delayms(20);
  }
  else
  {
     sht->Delayms(80);
  }
        
  if(sht->ReadSDABit() == 1)
  {
    err += 1;
  }
  humiCode[0]=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
  humiCode[1]=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
  checkSum=ReadByteFromSht1x(sht，noAck);
  if(CheckCRC8ForSHT1x(humiCode，2，checkSum))
  {
     sorh=(humiCode[0]<<8)|humiCode[1];
  }
  else
  {
     err += 1;
  }

  if(err != 0)
  {
    ResetSHT1XCommunication(sht);
  }
  else
  {
    humiValue=ConvertHumidityData(sht，sorh);
  }
 
  return humiValue;
}

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加載或啓動加熱功能等。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：

/*讀狀態寄存器*/
static uint8_t ReadStatusRegister(Sht1xObjectType *sht)
{
  uint8_t err=0;
  uint8_t status;
  uint8_t checkSum;
      
  StartSHT1XOperation(sht);
  err=WriteByteToSht1x(sht，READ_STATUS_REGISTER);
  status=ReadByteFromSht1x(sht，Ack);
  checkSum=ReadByteFromSht1x(sht，noAck);
 
  if(CheckCRC8ForSHT1x(&status，1，checkSum))
  {
     sht->statusReg=status;
  }
  else
  {
     err+=1;
  }
  return err;
}

/*寫狀態寄存器*/
static uint8_t WriteStatusRegister(Sht1xObjectType *sht，uint8_t *pValue)
{
  uint8_t err=0;
 
  StartSHT1XOperation(sht);
  err +=WriteByteToSht1x(sht，WRITE_STATUS_REGISTER);
  err +=WriteByteToSht1x(sht，*pValue);
 
  err +=ReadStatusRegister(sht);
  return err;
}

3、驅動的使用

我們已經設計並實現了SHT1x溫溼度傳感器驅動，接下來我們還需要對這一驅動進行驗證，所以我們要基於此驅動設計一個簡單的應用。

3.1、聲明並初始化對象

使用基於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溫溼度傳感器對象類型聲明一個SHT1x溫溼度傳感器對象變量，具體操作格式如下：

Sht1xObjectType sht1x;

聲明瞭這個對象變量並不能立即使用，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，是否啓用加熱器設置

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

對於這些參數，對象變量我們已經定義了。時鐘頻率根據實際輸入，以k爲單位，默認爲100k。工作電壓根據實際情況輸入。溫度單位、加熱設置、OTP配置、分辨率配置均爲枚舉，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，並將函數指針作爲參數。這幾個函數的類型如下：

/* 定義GPIO引腳輸出操作的函數指針 */
typedef void(*SHT1xSetBusPin)(SHT1xPinValueType value);

/* 讀數據總線函數 */
typedef uint8_t (*SHT1xReadSDABit)(void);

/* 數據總線方向控制函數 */
typedef void (*SHT1xSDADirection)(SHT1xIODirectionType direction);

/* 微秒延時函數 */
typedef  void (*SHT1xDelay)(volatile uint32_t period);

對於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係。片選操作函數用於多設備需要軟件操作時，如採用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數定義如下：

/*操作SCK引腳，設置高低操作*/
static void OperationSckPin(SHT1xPinValueType value)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_8，(GPIO_PinState)value);
}

/*操作DATA引腳，設置高低操作*/
static void OperationDataPin(SHT1xPinValueType value)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_9，(GPIO_PinState)value);
}

/*讀取DATA引腳位*/
uint8_t ReadDataPinBit(void)
{
  return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB，GPIO_PIN_9);
}

/*將DATA線設置爲輸入輸出方向模式*/
void SetDataPineDirection(SHT1xIODirectionType direction)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
 
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
  if(direction)
  { 
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  }
  else
  { 
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  } 
  HAL_GPIO_Init(GPIOB， &GPIO_InitStruct);
}

對於延時函數我們可以採用各種方法實現。我們採用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數。於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);

這裏我們將SHT1x對象初始化爲速度100k，3.3伏工作電壓，採用攝氏溫度單位，禁用片上加熱器，加載OTP並使用高分辨率。

3.2、基於對象進行操作

我們定義了對象變量並使用初始化函數給其作了初始化。接着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並轉換爲轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用實例。

這裏我們設計一個簡單應用，使用SHT1X溫溼度傳感器獲取溫度、溼度及露點數據，具體實現如下：

/* 獲取SHT1X數據 */
void GetSHT1xData(void)
{
   float temperature=0.0;
   float humidity=0.0;
   float dewPoint=0.0;
      
   GetSht1xMeasureValue(&sht1x);
      
   temperature=sht1x.temperature;
   humidity=sht1x.humidity;
   dewPoint=sht1x.dewPoint;
}

4、應用總結

我們實現了SHT1X溫溼度傳感器的驅動，並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。對於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爲參數傳入即可。如果硬件上可以配置爲開漏輸出，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作爲參數輸入。

關於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

外設驅動庫開發筆記9：SHT1x系列溫溼度傳感器驅動

1、功能概述

1.1、硬件描述

1.2、數據通訊

1.3、數據計算

2、驅動設計與實現

2.1、對象定義

2.1.1、對象的抽象

2.1.2、對象初始化

2.2、對象操作

2.2.1、啓動通訊

2.2.2、復位通訊

2.2.3、數據獲取

2.2.4、狀態寄存器操作

3、驅動的使用

3.1、聲明並初始化對象

3.2、基於對象進行操作

4、應用總結

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