舌体湿分含量测量仪的设计与研究 第6页
然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二
线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。
2.5.2 SHT11的主要特点
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检
测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的
原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合
在一起而构成了一个单一的个体，因而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温
度梯度变化引起的误差。湿度量程范围0%RH～100%RH，工作温度－40℃～120
℃，重复性为±0.1%RH，分辨率0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的
范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃
[25]
。
为提高在高湿环境下的测量精度，芯片上集成了一个可通断的加热组件。接
通后，可将SHT11的温度提高大约5℃，功耗在5V条件下增加8mA。当相对湿
度大于95%RH时，加热传感器可预防结露，同时缩短响应时间，提高精度。
SHT11温湿度传感器采用SMD表面贴片封装形式，对人体无任何毒害，微
小的体积（7.62X5.08X2.5mm），可以完全浸到水中的特性，使其很适合放在舌
体上，同时测出的温度值对湿度进行补偿。在测量湿度、温度时A/D位数分别
为12位、14位。利用降低分辨率的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。
传感器测量时的电流消耗为550μＡ，平均为28μＡ，休眠时为3μＡ。测量完
毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿
度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰
性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对
干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传
感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。最后，传感器可直接通过I
2
C总
线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，
简化了接口方式。
2.5.3输出特性
（1）湿度值输出
SHT11可通过I
2
C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲
线如图2-3所示
[25]
。
-13-天津大学硕士学位论文第二章[检测原理及敏感组件]
图2-3从SORH转换到相对湿度
从图2-3中可以看出，SHT11的输出曲线呈一定的非线性，为了补偿湿度传
感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：
2
linear 1 2 RH 3RH
RH =c +c ?SO +c ?SO(2-22)
式中，SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
表2-1湿度转换系数
SORH c1 c2 C3
12 bit-4 0.0405-2.8*10
-6
8 bit-4 0.648-7.2*10
-4
由于实际温度与SHT11制作时的测试参考温度25℃的显著不同，还需要对
湿度传感器进行温度补偿，补偿公式为：
1 2
(25)()
true C RH linear
RH T t t SO RH
°
=??+?+(2-23)
表2-2温度补偿系数
SORH t1 t2
12 bit 0.01 0.00008
8 bit 0.01 0.00128
（2）温度值输出
由于SHT11温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转
换成实际温度值：-7
1750
-15-天津大学硕士学位论文第三章[硬件电路设计]
第三章硬件电路设计
3．1总体方案
本系统为便携式试验设备，本着方便、美观、易用的原则，我们设计了一个
便携式测量仪。如图3-1所示，仪器内部包括湿度传感器，单片机，电源模块，
人机接口，实时时钟和通讯模块。
AT89S8252
8bit MCU
键盘
RT12864-10
LCDM
AX1674
电源
SHT11
湿度传感器
RS-232
To PC
DS1302
实时时钟
Speaker
图3-1系统框图
在器件的选择上既要考虑性能，又要尽量降低其能耗[25]。AT89S8252为系
统核心，该芯片是一款低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，具有两种省电运行
模式，同时还集成了2K的EEPROM，对于数据的采集和处理都十分方便。传感
器选择由瑞士Sensirion公司生产的高度集成数字式温湿度传感器SHT11，精度
高、体积小巧、功耗极低、抗干扰能力强、外围接口电路简单。供电方案采用碱
性电池以及MAX1674 DC/DC芯片。
3.2湿度传感器
数位式湿度传感器SHT11将湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D
-16-天津大学硕士学位论文第三章[硬件电路设计]
转换器、校准内存（EEPROM）、易失内存（RAM）、状态寄存器、循环冗余校
验码（CRC）寄存器、I
2
C串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路全部
集成于同一个芯片上面，具有数字式输出、免调试、免标定、响应超快、免外围
电路及全互换的特点。传感器可直接通过I
2
C总线与任何类型的微处理器、微控
制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式[26]。
图3-2是AT89S8252单片机与SHT11的接口电路。
由于AT89S8252不具备I2
C总线接口，所以使用单片机通用I/O口线来虚拟I
2总线，利用P1.0来虚拟数据线DATA，利用P1.1口线来虚拟时钟线，并在DATA
端接入一只4.7k?的上拉电阻，同时，在VDD及GND端接入一只0.01μF的去耦
电容。SCK用来接收主机发送来的串行信号，使SHT11与主机保持同步。DATA
为三态引出端，既可输入数据，也可输出测量数据，不用时为高阻状态。仅当
DATA的下降沿过后且SCK处于上升沿时刻，才能更新数据。时钟线和数据线各
接一个200Ω的电阻，防止因电流过大损害器件。串行时钟最低频率没有限制，
芯片可以在极低频率下工作。P1.0
P1.1
图3-2 AT89S8252单片机与SHT11的接口电路原理图
由于湿度与温度的关系比较密切，因此，测量温度时的要点是将传感器与大
气保持同一温度，并且使传感器部分远离线路板上的发热组件，使SHT11与热
源保持良好的通风。为减少SHT11和PCB之间的热传导，传感器的铜导线设为
最细，并在其中加上窄缝。同时在使用中应避免使SHT11传感器在强光下曝晒。
-17-天津大学硕士学位论文第三章[硬件电路设计]
仪器电源使用镍镉电池，为保证供电正常及节约能源，设计了以DC/DC电源
转换芯片MAX1674为主的电源控制
[27]
。
MAX1674是一款升压型DC/DC变换器，采用改进的限流PFM（脉冲频率调
制）控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持
了传统PFM的低静态电流，同时在较重负载下也具有很高的效率，而且由于限制
了峰值电流，采用很小体积的外围组件就可获得满意的输出纹波。其静态电流仅
为16μA，常态下工作效率可达94%，在关闭电源时耗电仅0.1μA，输入电压范
围较宽（0.7V～5.5V）。在使用中，将两节1.5V电池串联作为输入电源，将FB
端接地即可得到5V的输出电压，允许的输出电流达到500mA。
MAX1674的使用原理图如图3-3所示，主要完成以下功能：
·电源通断。按键盘“ON”键，MAX1674的SHDN脚为高电平，OUT脚输
出仪器所需的5V电压，单片机启动后P2.0脚送来高电平互锁信号，使“ON”键
松开后，MAX1674文持输出；按“OFF”键，MAX1674关断OUT脚输出。
·电池电压监测。MAX1674内部具有低电池电压检测功能，当LBI端电压低
于内部参考基准1.3V时，LBO端输出为低，此时触发外部中断1，驱动LCD报警
显示，提示用户更换电池。
·自动关机。每次测试完成，如果不再操作，则通过定时器2溢出中断计时，
2分钟后，P2.0脚送出低电平，MAX1674输出0V，从而切断仪器电源实现自动
关机。
3.3电源模块
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