【单片机毕业设计模块选型】SHT30温湿度传感器原理和读取方法详解

SHT30 温湿度传感器：原理与读取方法详解

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【开源】STM32+SHT30温湿度传感器

在物联网、智能家居、工业控制等领域，精准的温湿度监测是保障设备稳定运行、环境舒适可控的关键环节。SHT30 作为瑞士 Sensirion 公司推出的一款高精度数字温湿度传感器，凭借其卓越的性能、小巧的封装和简便的接口，成为众多场景下的优选方案。本文将从传感器的基本特性出发，深入解析其工作原理，并详细介绍两种主流的读取方法，为工程实践提供参考。

一、SHT30 传感器的基本特性与优势

在深入技术细节前，先明确 SHT30 的核心参数与优势，这是理解其原理和应用的基础：

• 高精度测量：温度测量范围为 - 40℃~125℃，精度在 0℃~65℃区间内可达 ±0.2℃；湿度测量范围为 0% RH~100% RH，精度在 20% RH~80% RH 区间内可达 ±2% RH，能满足绝大多数场景的精准监测需求。

• 数字输出接口：采用 I²C（Inter-Integrated Circuit）总线接口，支持标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz），无需额外的模拟信号转换电路，直接与微控制器（如 STM32、Arduino、ESP32 等）通信，简化硬件设计。

• 低功耗设计：传感器支持单次测量模式和周期性测量模式，单次测量后可自动进入休眠模式，休眠电流仅 0.1μA，周期性测量时平均电流最低可至 0.5μA，适合电池供电的低功耗设备。

• 稳定性与可靠性：采用 CMOSens® 技术（CMOS 传感器技术），集成了温度补偿功能，有效降低环境温度对湿度测量的影响；同时具备抗干扰能力，能在复杂电磁环境下稳定工作，使用寿命可达 10 年以上。

• 小巧封装：提供 DFN（双扁平无引脚）封装（2.5mm×2.5mm×0.9mm）和 TO-92 封装，适合空间受限的场景，如穿戴设备、小型传感器节点等。

二、SHT30 的工作原理

SHT30 的核心是 “湿度感应元件 + 温度感应元件 + 信号处理电路” 的集成设计，其测量原理基于物理特性的变化，结合 CMOSens 技术实现精准的数字信号输出，具体可分为湿度测量和温度测量两部分。

1. 湿度测量原理：电容式湿度感应

SHT30 的湿度感应元件采用高分子聚合物电容结构，核心是 “两个电极夹着一层高分子聚合物薄膜” 的电容器。这层聚合物薄膜具有 “吸湿膨胀、失湿收缩” 的特性，而电容的容量与电极间介质的介电常数直接相关 —— 当环境湿度变化时，聚合物薄膜吸收或释放水分子，导致其介电常数发生改变，进而使电容器的容量产生对应变化。

具体过程如下：

• 当环境湿度升高时，聚合物薄膜吸收水分子，介电常数增大，电容容量随之增大；

• 当环境湿度降低时，聚合物薄膜释放水分子，介电常数减小，电容容量随之减小；

• 传感器内部的信号处理电路会对电容容量的变化进行检测，并将其转换为微弱的模拟电压信号；

• 模拟电压信号经过放大、滤波后，送入 ADC（模数转换器）转换为数字信号；

• 最后，通过内部的校准电路（基于出厂前的校准数据）对数字信号进行补偿修正，得到精准的湿度值。

需要注意的是，湿度感应元件的电容变化受温度影响较大（温度会改变聚合物薄膜的分子活性，进而影响吸湿能力），因此必须结合温度测量结果进行 “温度补偿”，才能确保湿度测量的精度 —— 这也是 SHT30 将温度感应与湿度感应集成在一起的核心原因之一。

2. 温度测量原理：电阻式温度感应

SHT30 的温度感应元件采用高精度铂电阻或NTC 热敏电阻（不同型号略有差异，主流为铂电阻），其原理基于 “导体电阻随温度变化” 的物理特性 —— 铂电阻的电阻值与温度呈良好的线性关系，且稳定性极高，适合高精度温度测量。

具体过程如下：

• 传感器内部会向铂电阻施加一个恒定的微小电流（避免电流过大导致电阻发热，影响测量精度）；

• 随着环境温度变化，铂电阻的电阻值发生线性变化，根据欧姆定律（U=IR），电阻两端的电压也会随之变化；

• 电压信号经过放大、滤波后，送入 ADC 转换为数字信号；

• 结合内部的温度校准曲线，对数字信号进行修正，得到精准的温度值 —— 该温度值一方面作为最终输出，另一方面用于湿度测量的温度补偿。

3. 信号处理与输出：CMOSens 技术的核心作用

SHT30 之所以能实现高精度、低功耗和数字输出，关键在于集成了 Sensirion 的 CMOSens 技术。该技术将 “感应元件、信号放大、ADC 转换、校准存储、I²C 通信接口” 全部集成在一块 CMOS 芯片上，形成 “一体化解决方案”：

• 校准数据存储：出厂前，每颗 SHT30 都会在标准温湿度环境下进行校准，校准数据（如温度补偿系数、湿度修正参数）被存储在传感器内部的 EEPROM 中，每次测量时都会调用这些数据进行修正，确保一致性和精度；

• 数字信号直接输出：无需外部 ADC 电路，传感器直接输出经过校准的温湿度数字信号，通过 I²C 接口传输给微控制器，减少了外部电路的干扰和误差；

• 低功耗控制：CMOSens 技术的电路设计采用低功耗架构，支持休眠模式与测量模式的快速切换，在保证性能的同时降低功耗。

三、SHT30 的读取方法

SHT30 通过 I²C 接口与微控制器通信，读取温湿度数据的核心是 “按照 I²C 协议发送指令→传感器执行测量→接收传感器返回的数字数据→数据解析与转换”，具体可分为 “单次测量模式” 和 “周期性测量模式” 两种，适用于不同的应用场景。

1. 前提：I²C 通信的基础配置

在读取数据前，需先完成 I²C 接口的基础配置，确保微控制器与 SHT30 的通信参数一致：

• I²C 从机地址：SHT30 的 I²C 从机地址由硬件引脚（ADDR 引脚）决定，默认有两种地址：ADDR 引脚接 GND 时，地址为 0x44；ADDR 引脚接 VDD 时，地址为 0x45（部分型号可能略有差异，需参考 datasheet）；

• 通信速率：支持 100kHz（标准模式）和 400kHz（快速模式），需根据微控制器的 I²C 配置选择匹配的速率，建议优先使用快速模式以提高数据读取效率；

• 电源电压：SHT30 的工作电压范围为 2.4V~5.5V，需确保供电电压稳定，避免电压波动导致测量误差或通信失败。

2. 方法一：单次测量模式（适合低频率监测）

单次测量模式是指 “微控制器发送一次测量指令→SHT30 执行一次温湿度测量→返回数据后自动进入休眠模式”，适用于对监测频率要求不高的场景（如每小时监测一次），可最大限度降低功耗。

具体步骤如下：

1. 启动 I²C 通信：微控制器向 SHT30 的 I²C 从机地址发送 “起始信号（S）”，并等待传感器的 “应答信号（ACK）”；

2. 发送测量指令：确认通信建立后，微控制器发送 “单次测量指令”—— 指令分为 “高精度模式”“中精度模式”“低精度模式”（对应不同的测量时间和精度，默认推荐高精度模式），高精度模式的指令为 0x2C06（指令分为两个字节：高字节 0x2C，低字节 0x06，需按顺序发送）；发送指令后，等待传感器的 ACK 信号；

3. 等待测量完成：SHT30 接收到指令后，开始执行温湿度测量，测量过程需要一定时间（高精度模式约 15ms），微控制器需等待足够的时间（建议等待 20ms，避免数据未准备好导致读取失败）；

4. 接收数据：测量完成后，SHT30 会通过 I²C 总线返回 6 个字节的数据，数据格式为：温度高字节（T_H）→温度低字节（T_L）→温度校验字节（T_CRC）→湿度高字节（RH_H）→湿度低字节（RH_L）→湿度校验字节（RH_CRC）；微控制器需依次接收这 6 个字节，并对每个数据（温度、湿度）进行 CRC 校验（确保数据传输无错误）；

5. 数据解析与转换：

• 温度数据转换：将温度高字节和低字节组合为一个 16 位的二进制数（T = T_H << 8 | T_L），再通过公式转换为实际温度值：温度（℃）= -45 + (175 × T) / (2^16 - 1)；

• 湿度数据转换：将湿度高字节和低字节组合为一个 16 位的二进制数（RH = RH_H << 8 | RH_L），通过公式转换为实际湿度值：湿度（%RH）= (100 × RH) / (2^16 - 1)；

1. 结束通信：数据读取完成后，微控制器发送 “停止信号（P）”，SHT30 自动进入休眠模式，等待下一次指令。

3. 方法二：周期性测量模式（适合高频率监测）

周期性测量模式是指 “微控制器发送一次周期性测量指令→SHT30 按照设定的频率（如每 100ms、200ms、1s 等）持续测量温湿度→微控制器可随时读取最新的测量数据”，适用于对监测频率要求高的场景（如实时环境监控）。

具体步骤如下：

1. 启动 I²C 通信与发送周期性指令：与单次测量模式类似，微控制器先发送起始信号和从机地址，确认 ACK 后，发送 “周期性测量指令”—— 指令需指定 “测量频率” 和 “精度模式”，例如 “高精度 + 1s 测量周期” 的指令为 0x2236（不同频率对应不同指令，需参考 datasheet）；发送指令后，等待 ACK；

2. 传感器进入周期性测量状态：SHT30 接收到指令后，进入周期性测量状态，按照设定的频率持续测量温湿度，并将最新的测量数据存储在内部寄存器中；此时传感器不会自动休眠，除非接收到 “停止周期性测量指令”；

3. 读取数据（按需读取）：微控制器可在需要时（如每隔 500ms）发送 “读取数据指令”（指令为 0xE000），发送后等待 ACK，随后接收 6 个字节的数据（格式与单次测量模式一致）；

4. 数据解析与转换：与单次测量模式的步骤 5 完全相同，通过公式将 16 位数据转换为实际的温湿度值；

5. 停止周期性测量（可选）：当不需要继续周期性测量时，微控制器发送 “停止周期性测量指令”（指令为 0x3093），SHT30 接收到指令后停止测量，进入休眠模式，降低功耗。

4. 关键注意事项：CRC 校验

无论是单次测量还是周期性测量，SHT30 返回的数据都包含 CRC 校验字节（温度和湿度各 1 个），其作用是验证数据在传输过程中是否出现错误（如干扰导致的字节位翻转）。微控制器必须进行 CRC 校验，才能确保读取的数据可靠。

CRC 校验的规则（基于 SHT30 datasheet）：

• 多项式：CRC-8，多项式为 0x31（即 X⁸ + X⁵ + X⁴ + 1）；

• 初始值：0xFF；

• 计算范围：对温度的两个字节（T_H、T_L）或湿度的两个字节（RH_H、RH_L）进行 CRC 计算；

• 校验结果：计算得到的 CRC 值应与传感器返回的 CRC 字节（T_CRC 或 RH_CRC）完全一致，若不一致，则说明数据传输错误，需重新读取。

四、总结

SHT30 凭借 CMOSens 技术的集成优势，实现了高精度、低功耗、数字输出的温湿度测量，其工作原理基于电容式湿度感应和电阻式温度感应，结合温度补偿确保测量精度。在读取方法上，单次测量模式适合低频率、低功耗场景，周期性测量模式适合高频率、实时监测场景，两种模式均需遵循 I²C 协议，并通过 CRC 校验保证数据可靠性。

在实际应用中，需根据具体的场景需求（如监测频率、功耗限制、空间大小）选择合适的测量模式和封装，并严格按照 datasheet 的指令格式和时序要求进行硬件设计与软件开发，才能充分发挥 SHT30 的性能优势，实现稳定、精准的温湿度监测。