嵌入式物联网实验：高精度温湿度传感器实现

1.实验目的

本实验介绍在µClinux环境下基于General Purpose Input/Output（GPIO）驱动程序编写嵌入式应用程序。程序使用LPC2220微控制器来控制高精度温湿度传感器SHT10获取周围环境的温度和湿度，并将温湿度数据通过串口传送到PC的超级终端上进行显示。通过实验，使读者初步掌握µClinux应用程序的编写方法，并掌握GPIO驱动和高精度温湿度传感器SHT10的使用方法。

2.实验设备

（1）硬件

● ARM实验母板（IOT-ARMMB）1套。

● 传感器及外围模块（IOT-MODULES）1套。

● PC（含串口）1台。

（2）软件

● Linux和Windows操作系统。

● H-JTAG。

● µClinux2.4x发行包和arm-elf-gcc交叉编译环境。

3.实验原理

本实验基于LPC2220嵌入式微控制器实现一个高精度温湿度数据采集程序，主要硬件为ARM实验母板（IOT-ARMMB）及传感器和其他外围模块。与本实验教程实验四A中通过单片机实现的高精度温湿度实验不同，本实验基于Linux的GPIO驱动程序。有别于单片机需要将程序下载到Flash的烦琐过程，本实验基于NFS（网络文件系统）建立的交叉编译环境，可以将主机中的程序读取到实验板的RAM中运行。NFS是FreeBSD支持的文件系统中的一种，其允许一个系统在网络上与其他系统共享目录和文件。通过网络接口将主机与实验板连接，NFS使用户和程序可以像访问本地文件一样访问远端系统上的文件。这样，在程序的修改调试中，就不需要反复的下载过程。实验板可以随时通过NFS运行主机上最新版本的程序。另外，读者可以通过本实验进一步熟悉Linux下字符型设备的驱动方式。

程序主要完成的工作包括：首先，微控制器发送命令给高精度温湿度传感器，高精度温湿度传感器根据微控制器的命令，执行温度或湿度的采集；然后，微控制器读出相应的温度或湿度的数据，并把相关数据发送到PC的串口上；最后，通过PC上的超级终端，显示采集到的温度和湿度数据。为了便于理解，将实验内容分为3个部分：初始化，微控制器采集温度和湿度，将采集到的数值转换为实际温湿度值并将其通过串口发送到PC的超级终端显示。下面分别对以上的内容进行介绍。

（1）初始化

这部分主要是对微控制器和高精度温湿度传感器的连接引脚初始化。因为高精度温湿度传感器只通过DATA和SCK这两个引脚与微控制器通信，所以使用微控制器的P0.25和P2.20引脚分别连接传感器的DATA和SCK口。由于µClinux将所有的设备都当做文件进行处理，因此对微控制器的P0.25和P2.20引脚的处理是使用GPIO的相关I/O函数进行操作（详见GPIO驱动程序）。初始化代码如下：

（2）高精度温度和湿度数据的采集

数字高精度温湿度传感器SHT10有4个引脚：GND、DATA、SCK、VDD。图3-4所示为SHT10与微控制器的连接方式。

在本实验中，SHT10的DATA和SCK引脚与微控制器的P0.25和P2.20引脚相连。因此，只要通过微控制器的P0.25和P2.20引脚向SHT10发送相应的时序，就能驱动SHT10进行采样，并返回采样数据。注意DATA引脚要接上拉电阻。

要驱动SHT10进行采样必须发送如下命令：首先，微控制器向SHT10发送“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化。如图3-5所示，时序包括当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。初始化之后，微控制器便可以向SHT10发送命令。通常的命令包含3个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位，具体将在后面结合代码进行介绍。SHT10会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平，并且在第9个SCK时钟的下降沿之后，将DATA位恢复为高电平。

图3-4 SHT10与微控制器的连接方式

图3-5 SHT10启动传输时序图

启动传输程序代码如下：

启动时序完成之后，SHT10便会以串行数据方式与微控制器进行通信，时序图如图3-6所示。DATA三态门用于数据的读取，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应保持DATA在低电平。

图3-6 SHT10与微控制器通信时序图

给传感器发送数据需要注意时序，在上升沿之前把数据写入，上升沿时数据有效，在下降沿时把数据传给传感器。数据发送的相关代码如下：

从传感器读数据，同样也要注意时序，只有在上升沿数据有效之后才能读。读数据的相关代码如下：

温湿度测量的过程如下，发布一组测量命令后（“00000101”表示相对湿度，“00000011”表示温度），传感器开始采集数据。对应8/12/14位3种不同的测量，这个过程分别需要大约20/80/320ms。SHT10通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。微控制器在触发SCK时钟来读出数据前，必须等待这个“数据备妥”信号。检测数据可以先被存储，这样微控制器可以继续执行其他任务，在需要时再读出数据。在收到“数据备妥”信号之后，传输2字节的测量数据和1字节的CRC奇偶校验。微控制器需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。在测量和通信结束后，SHT10自动转入休眠模式。温湿度测量的相关代码：

（3）转换采集到的数据为具体的温度和湿度值并将数据通过串口发送到PC的超级终端显示

微控制器从传感器获取的数据并不是实际的温湿度值，要得到实际的温湿度值必须将从传感器获得的数据通过SHT10数据手册中给出的公式进行相应的转换。在程序中使用转换函数calc_sht10实现。该函数的两个参数分别为指向采集的湿度和温度数据的指针变量。(www.xing528.com)

温度转换公式为：

Temperature=d₁+d₂×X

式中，X为传感器采样的温度数据；d₁、d₂为系数。

对于本实验采用3.5V电压、14位温度采样精度，查数据手册可知该公式的系数分别为：d₁=-39.67，d₂=0.01）。

湿度转换公式为：Humidity=c₁+c₂×Y+c₃×Y²式中，Y为传感器采样的湿度数据；c₁，c₂，c₃为系数。

对于本实验采用12位湿度采样精度，查数据手册可知该公式的系数分别为：c₁=-4，c₂=0.0405，c₃=-2.8×10^-6）。

转换函数calc_sht10的代码如下：

在获取并转换了温湿度数据之后，使用printf（）函数通过串口将读取的数据以及转换后的数据发送给PC。

以上是本实验的各个模块的分析，下面介绍实验的流程。首先，主函数初始化各模块，然后微控制器给高精度传感器发送命令，高精度传感器把采集的数据发送给微控制器，最后微控制器通过串口把数据发送到电脑上去。下面是main（）函数的主要代码：

4.实验内容

阅读STH10芯片的数据手册，学会分析芯片的时序图。阅读GPIO驱动程序，能够依照前述数据手册上的时序图，使用GPIO驱动程序编写一个简单的µClinux应用程序，读出传感器的温度和湿度数据，使用数据手册中的公式转换之后，通过串口把数据发送到PC。

5.实验步骤

1）打开终端或者进入虚拟控制台，进入arm实验目录，为本实验新建工作目录temp_- hum。

2）将源代码文件temp-hum.c和Makefile以及config.h文件复制到工作目录。

3）将光盘提供的gpio文件夹复制到nfs共享目录下的header目录下。

4）编译程序，生成可执行代码temp-hum。

5）启动μCLinux，进行NFS连接，进入GPIO驱动所在目录，加载GPIO驱动。

6）进入cat1025目录，运行实验程序。

之后可以在超级终端上看到程序运行的结果，如图3-7所示。

图3-7 嵌入式平台高精度温湿度传感器实验结果

其中每一组前两行为从传感器获得的数据，后两行为转换后的温湿度数据。

6.思考题

1）本程序的采样精度为14位温度，12位湿度，如何修改程序能够使精度变为12位温度、8位湿度。

2）怎样修改程序使得采样频率变小？

7.补充阅读

[1]徐勇军，安竹林，蒋文丰，姜鹏.无线传感器网络实验教程[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2]周立功，等.ARM嵌入式系统实验教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]ATmega128/LDatasheet.http：//www.atmel.com/.Atmel，2010.

[4]SHT10Datasheet.http：//www.sensirion.com/.SENSIRION，2009.