基于I2C總線的濕度數字傳感器的設計與實現

黃鋒劉楊東譚山黃甦

（1.廣州計量檢測技術研究院 2.廣州機場出入境檢驗檢疫局 3.珠海市質量計量監督檢測所）

基于I2C總線的濕度數字傳感器的設計與實現

黃鋒1劉楊東2譚山1黃甦3

（1.廣州計量檢測技術研究院 2.廣州機場出入境檢驗檢疫局 3.珠海市質量計量監督檢測所）

本文介紹基于I2C總線的濕度數字傳感器的設計方案，給出了具體的應用電路，并提出了一種提高電路準確度的方式，拓展了I2C總線器件的應用。

I2C；傳感器；濕度

1 引言

智能傳感技術是涉及微機械電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術與人工智能技術等多種學科的綜合密集型技術，它能實現傳統傳感器所不能完成的功能，是傳感器技術發展的主要方向之一。智能傳感器系統的總線標準概括可分為基于典型芯片級的總線、USB總線和IEEE1451智能傳感器接口標準，其中典型芯片級的 I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，在消費類電子產品、智能儀器儀表和工業測控領域應用廣泛。據研究報道，美國火星探測計劃的“勇士”號和“機遇”號火星車上采用的就是100kb/s的I2C總線；美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的深空系統技術計劃（X2000）已將I2C總線作為低功耗總線標準，在其后續項目中仍將采用，證明了I2C總線的價值和可靠性。

目前除了芯片級的I2C數字傳感器件，其它傳感器一般需通過信號調理后由I2C總線的A/D芯片來實現。市面上I2C總線的濕度數字傳感器極少，SHTXX系列和HTD2230濕度傳感器僅是采用了類似I2C的兩線式串行總線，其電氣標準并不是I2C標準，不能兼容I2C總線，不能在總線上掛多只傳感器。本文提出一種真正的 I2C總線的濕度數字傳感器的實現方案，其總體思路是采用振蕩器調理濕度傳感器信號，通過計數器測量RC振蕩器的輸出頻率，使用I2C的I/O器件對計數值進行讀取，從而實現I2C接口。

2 I2C總線簡介

I2C總線由飛利浦半導體公司開發，總線標準已經成為國際標準的一種，目前 I2C總線規范版本為2.1，I2C總線是用于芯片之間連接的總線。該總線使用兩根信號線進行數據的傳輸，包括：串行時鐘線（Serial Clock Line，SCL）和串行數據線（Serial Data line，SDA）。連接到I2C總線上的任何器件都擁有唯一的地址，分7位地址器件和10位地址器件兩種。

I2C總線最顯著的特點是規范的完整性、結構的獨立性和用戶使用時的簡單化。I2C總線有嚴格的規范，如接口的電氣特性、信號時序、信號傳輸的定義、總線狀態設置、總線管理規則及總線狀態處理等。

作為一種串行總線，I2C總線雖沒有并行總線的數據吞吐能力，但它只需要很少的配線和IC連接管腳，電路結構簡單，程序編寫方便，易于實現用戶系統軟硬件的模塊化、標準化等。其優點包括：

① 根信號線組成了I2C總線，結構簡單；

② 容易實現的協議內容。由于協議規范非常簡單，I2C各部件的邏輯很容易在芯片內部以硬件方式實現；

③ 數十個器件可以同時掛在同一條I2C總線上，I2C總線上的器件可帶電接入或撤出即熱插拔，非常便于組網應用；

④ 電氣兼容性好。器件之間以開漏 I/O相互連接，兼容3V/5V的邏輯電平只要選取適當的上拉電阻就能輕易實現；

⑤ 通信速率非常高。標準模式下，I2C總線傳輸速率為100 kb/s；快速模式下為400 kb/s；高速模式下可達3.4Mb/s。

3 電容式濕度傳感器及其振蕩電路

常用的濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種。濕敏電阻的優點是靈敏度高，缺點是線性和產品的互換性差；濕敏電容的優點是靈敏度高、產品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現小型化和集成化，但精度一般比濕敏電阻要低。另外還有電解質離子型濕敏元件、重量型濕敏元件、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等，這些濕敏元件的線性度及抗污染性差，容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。因此，市場常見的是電容式濕度傳感器。

以常用的HS1100電容式濕度傳感器為例，其相對濕度RH與輸出電容Cx之間的關系如下：

式中：Cx為傳感器輸出電容值；C@55%為相對濕度55%時的傳感器輸出電容值；RH為相對濕度。

C@55%的典型值為 180pF，相對濕度在 0%～100%范圍其電容值范圍約為160pF～200pF，電容值變化范圍約40pF，典型工作頻率在5kHz～10kHz。這樣的電容范圍目前沒有CDC轉換芯片，可采用經典的振蕩器電容測量電路，或采用NE555實現電容/頻率的轉換。

以準確度為2%的濕度傳感器為設計目標，電路部分的誤差分配定在0.5%，則電容/頻率轉換準確度要達到：0.5%×40pF/200pF=0.1%。由于NE555的電容/頻率轉換穩定性遠達不到0.1%，故采用RC文氏電橋振蕩電路，其電路原理如圖1所示。考慮I2C總線只有單電源，為簡便不另增加電源電路，將RC文氏電橋振蕩電路調整為單電源振蕩電路，直接使用I2C總線的電源工作，電路原理如圖2所示。

該振蕩電路的振蕩頻率如下：

其中，R3、R4取值相同；C4取傳感器在 55%相對濕度時的電容值；Cx為傳感器的輸出電容。R1/R2取3左右，R21=R22。電路參數的設計要求頻率f介于5 kHz～10 kHz。

圖1 RC文氏電橋振蕩電路

圖2 單電源供電的RC文氏電橋振蕩電路

4 頻率計數電路

頻率計數方式有兩種：一是在已知時間T內測量頻率信號f 的脈沖個數n，則f =n／T，T為采樣周期；二是在m個被測頻率信號f 的脈沖個數周期內測量已知頻率信號f0的脈沖個數n，則f =n／mf0，mf 為采樣周期。鑒于被測頻率不高（小于10 kHz），秒級的基準時間信號獲得較為麻煩，故采用方式二較易實現高準確度的測量。

常用的分頻器／計數器CD4040為12位，以被測信號7kHz為例，3級分頻后可獲得約0.5 ms的采樣周期，測量4 MHz的標準頻率可獲得約2000個計數值，計數準確度可達0.05%，達到設計要求。

電路具體實現時，還需采用鎖存器對計數器的計數值進行鎖存，直至下一個采樣周期完成時予以更新并再次鎖存，使得隨時采集鎖存器的輸出均是有效的計數值。電路器件的選擇為CD4040計數器、74LS174鎖存器、4 MHz有源晶振，電路原理如圖3所示。

圖3 頻率計數電路原理圖

上述方案獲得的計數值最大只能達4096（212），對相對濕度測量而言，并不是振蕩器的整個頻率范圍都是有效的濕度測量范圍，濕度測量范圍僅相對于計數值范圍的約25%，因此可以采用將高位無效計數值“溢出”的方式提高測量的準確度。

計數“溢出”的原理是：以振蕩器參數實現相對濕度0%對應頻率7.3 kHz，相對濕度100%對應頻率6 kHz為例，3級分頻后獲得的采樣周期T分別為：

對4 MHz晶振信號的計數值n分別為：

n值均在12位計數器的計數范圍內，但濕度測量的有效計數值只有2667-2192=475。

采用“溢出”計數，則可將3級分頻提高至5級分頻，可獲得8776～10667個計數值，濕度測量有效計數值為1891。理論上需要14位（214=16384）的計數器，但即使仍使用12位的計數器，雖然此時12位計數器計數溢出，只可獲得低 12位的計數值8776-8192=584和10667-8192=2475，但通過補值計算仍可獲得真實的計數值，此時獲得濕度測量的有效計數值為1891，對比“溢出”前提高了4倍的有效計數值，可獲得4倍的測量準確性。

5 I2C接口電路

對計數電路的鎖存器輸出進行讀取即可獲得計數值，從而通過計算獲得相對濕度。采用I2C總線的I/O器件便實現了I2C總線的濕度數字傳感器。

I2C總線的12位以上的I/O器件有PCA9535、PCA9555、PCA9539、PCA9671等，本例采用低廉的PCA9535。PCA9535為16位I/O器件，具有3位可設置的地址位，可賦予8個I2C器件地址，方便多只傳感器的組網使用，實現多路測量。PCA9535有 2組8位I/O通道，每位均可單獨設置為輸入或輸出，本例需至少設置12位輸入，具體I2C總線命令見表1。

表1 PCA9535的I2C傳輸命令

此時，只需將PCA9535A組的8位數據線和B組的低4位數據線與鎖存器74LS174的輸出端相連即可實現I2C接口的濕度數字傳感器。

6 實驗數據

濕度傳感器電路的最關鍵性能是頻率穩定性，對本電路分別連接標準電容和HS1100濕度傳感器進行了頻率穩定性實驗，實驗數據分別見表2、表3。

表2 接標準電容時電路頻率穩定性實驗數據

表3 接HS1100時電路頻率穩定性實驗數據（20℃）

實驗數據表明，頻率穩定性良好，說明本電路是有效可行的。

7 結論

本文提出了基于I2C總線的濕度數字傳感器的設計方案：采用RC振蕩器實現電容/頻率的穩定轉換，采用計數器的方式測量頻率，并提出采用計數“溢出”的方式提高濕度信號的測量準確度；同時，僅采用I2C總線電源，設計了單電源供電的振蕩器。整體設計方案簡單，通過實驗驗證，本方案有效、可行，通過I2C接口實現了濕度傳感器的數字化。

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Design and Implementation of a Digital Humidity Sensor Based on I2C

Huang Feng1Liu Yangdong2Tan Shan1Huang Shu3
(1.Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology 2.Guangzhou Airport Entry-Exit Inspection and Quarantine 3.Zhuhai Supervision Testing Institute of Quality and Metrology)

This paper introduces design of a humidity digital sensor and specific applied circuit, provides a circuit of improving accuracy and application of I2C bus and devices.

I2C; Sensor; Humidity

黃鋒，男，1968年5月生，碩士，高級工程師，主要研究方向：熱工力學檢測技術、虛擬儀器、測量不確定度分析等。

劉洋東，男，1977年4月生，碩士，工程師，主要研究方向：進出口商品檢測。

譚山，男，1960年3月生，本科，高級工程師，主要研究方向：儀器儀表、電子電路技術等。

黃甦，男，1968年8月生，碩士，高級工程師，主要研究方向：無線電技術、電學計量等。