既要準(zhǔn)又要小 溫濕度傳感難題怎么破？

鑒于溫度和濕度對建筑物和電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性的影響，獲得準(zhǔn)確和可靠的對這些參數(shù)的測量能力是廣泛的消費、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)計基礎(chǔ)。人們十分關(guān)注濕度和溫度對健康的影響，研究表明，這些參數(shù)的變化會產(chǎn)生從體感不適到氣溶膠化病毒感染等各種影響。

為了滿足這種需求，設(shè)計人員需要一種成本效益高、外形尺寸小、易于部署的解決方案，以便在各種應(yīng)用中檢測溫度和濕度。為了延長偏遠或其他難以到達的地點的電池壽命，解決方案可能還需要消耗很少的電力，同時保持必要的精度和穩(wěn)定性。

本文討論了環(huán)境溫濕度對基礎(chǔ)設(shè)施、電子系統(tǒng)和人體健康的影響。然后介紹并展示了如何使用 TE Connectivity Measurement Specialties 的小型濕度和溫度傳感器，以及設(shè)計人員怎樣利用該傳感器更輕松地滿足各種應(yīng)用的關(guān)鍵測量要求。

1. 準(zhǔn)確測量濕度和溫度的重要性

在很多領(lǐng)域準(zhǔn)確監(jiān)控和調(diào)節(jié)濕度和溫度水平的能力都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些領(lǐng)域包括供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 系統(tǒng)以及用于睡眠呼吸暫停的持續(xù)正壓氣道壓力 （CPAP） 設(shè)備，甚至影響人類的幸福指數(shù)。

相對濕度 （RH） 這個耳熟能詳?shù)拿~，表示空氣中的含水量，是指在給定溫度下空氣所能容納的水量的百分比。和溫度一樣，濕度過高或過低都會讓人感到不舒服，甚至對建筑結(jié)構(gòu)以及機械設(shè)備和電子設(shè)備造成損害。

建筑物濕度過高，會導(dǎo)致混凝土和其他材料的腐蝕、霉菌生長和分解。在電子設(shè)備中，濕度過高，特別是當(dāng)設(shè)備從陰涼處進入潮濕環(huán)境時，會因結(jié)露而導(dǎo)致短路。

濕度低會造成材料收縮、紙制品損壞、靜電積聚。隨著積聚量的增加，產(chǎn)生的靜電會對電子設(shè)備造成損害，并在揮發(fā)性有機化合物 （VOC） 含量較高的環(huán)境中引發(fā)火災(zāi)。因此，RH 傳感器在為建筑提供安全、健康的環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。在促進人類健康和福祉方面，類似問題越來越多。

人類通常會注意到不舒服的溫度而不是濕度水平，但過低或過高的濕度水平都會影響健康。濕度過高或過低會加重哮喘和過敏患者的癥狀，并導(dǎo)致睡眠質(zhì)量較低，即使健康的人也會有影響。在極低的濕度下，人體組織會干燥，造成對眼睛或鼻腔的刺激。CPAP 制造商通常依靠濕度傳感器來確保他們的設(shè)備為用戶提供合適的潮濕空氣。

濕度的測量和控制在公共衛(wèi)生中發(fā)揮著更廣泛的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，濕度水平不需要達到極端的干燥或潮濕，就能對人體生理發(fā)生作用。正常情況下，鼻腔中的水分有助于排出氣溶膠化病毒（懸浮在微滴中的病毒）。當(dāng)鼻腔干燥時，氣溶膠病原體可以更深入地滲透到呼吸系統(tǒng)，更容易引起感染 ［1］。由于這些因素和其他生理因素的影響，當(dāng)濕度低于 40% RH 時，氣溶膠化流感病毒的感染力明顯提高（圖 1）［2］。近的研究表明，相對濕度在 40%～60% 之間對降低新冠肺炎感染也有一定作用，甚至可以降解引起新冠肺炎的 SARS-CoV-2 病毒 ［3］。

圖 1：研究表明，低相對濕度與氣溶膠化病毒感染性增加之間的關(guān)系持續(xù)推動對較測量解決方案的需求的增長。（圖片：TE Connectivity Measurement Specialties）

雖然在眾多不同的應(yīng)用中，準(zhǔn)確測量濕度和溫度至關(guān)重要，但相應(yīng)的設(shè)計要求卻限制了開發(fā)人員輕松構(gòu)建有效解決方案的能力。除了對高精度和低長期漂移要求外，許多應(yīng)用還要求傳感器以封裝提供快速測量和低功耗操作能力，以便將傳感器放置在理想的測量點上，無論是 HVAC 加濕器、CPAP 濕度控制裝置還是精密環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。TE Connectivity 的 HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器可滿足越來越多依賴數(shù)據(jù)的應(yīng)用的要求。

2. 滿足關(guān)鍵測量要求的解決方案

HTU31D 具有體積小、精度高的特點，適用于從消費類產(chǎn)品到醫(yī)療和監(jiān)測系統(tǒng)的各種應(yīng)用。它采用 6 引腳封裝，尺寸為 2.5 x 2.5 x 0.9 毫米 （mm），已完全校準(zhǔn)，無需額外的現(xiàn)場校準(zhǔn)。由于其體積小，開發(fā)人員可以將傳感器放置在對早期傳感解決方案來說太小的位置，并使用現(xiàn)成的 I2C緩沖器或電平移位器，通過其 I2C 串行接口將遠程放置的HTU31D 連接到其主機控制器。

HTU31D 測量的相對濕度范圍為 0 到 100%，典型精度為 ±2%，相對濕度滯后為 ±0.7%，典型長期漂移小于 0.25% RH/年。該器件的溫度測量范圍為 -40 至 125℃，典型精度為 ±0.2℃，典型長期漂移為 0.04℃/年。為了保持其可靠性，該傳感器集成了一個加熱元件，用于消除高濕度水平下的冷凝水，同時帶有內(nèi)部診斷功能，以檢測測量誤差、加熱元件誤差和內(nèi)部存儲器誤差。

在用于濕度和溫度測量的基準(zhǔn)模式下，該傳感器的分辨率為 0.020% RH 和 0.040°C，轉(zhuǎn)換時間分別為 1 毫秒 （ms） 和 1.6 毫秒。對于更苛刻的要求，該器件還提供了讓開發(fā)人員以轉(zhuǎn)換時間為代價來提高分辨率的操作模式。在每個傳感器的分辨率模式下，HTU31D 可以提供 0.007% 的RH（轉(zhuǎn)換時間為 7.8 毫秒）和 0.012℃（轉(zhuǎn)換時間為 12.1 毫秒）的精度。

對于某些應(yīng)用，如電池供電型產(chǎn)品，器件的低電流消耗是同樣重要的特性。在其基本分辨率模式下工作，每秒執(zhí)行相對濕度和溫度測量，器件通常只需要 1.04 微安 （μA）。在非活動期間，可將器件置于休眠模式，通常只消耗 0.13 μA。當(dāng)然，短暫地使用內(nèi)部加熱器來消除冷凝水或測試溫度傳感器，同樣會導(dǎo)致電流短暫但顯著增加。

3. 簡單的硬件和軟件接口

HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器為開發(fā)人員的設(shè)計提供了簡單的硬件和軟件集成接口。除了 3 至 5.5 伏供電電壓 （VDD）和接地 （GND） 引腳外，該器件的硬件接口還包括用于 I2C 標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù) （SDA） 和串行時鐘 （SCL） 線路的引腳。其余兩個引腳包括一個復(fù)位 （RST） 引腳和一個地址 （IC_ADD） 引腳。當(dāng) IC_ADD 與 GND 或 VDD 連接在一起時，該器件分別響應(yīng) I2C 地址 0x40 或 0x41，允許兩個 HTU31D 器件共享同一 I2C 總線而不發(fā)生沖突。

主機處理器使用基本的 I2C 串行事務(wù)處理進行命令和讀取結(jié)果發(fā)送。命令使用一個由 I2C 地址組成的雙字節(jié)序列，后接一個命令字節(jié)，通過設(shè)置各個位來指定支持的功能，具體包括綜合溫度和濕度測量、僅濕度測量、復(fù)位、加熱器打開或關(guān)閉、設(shè)備序列號和診斷。

例如，如要執(zhí)行溫度和相對濕度 （T & RH） 綜合測量，主機將發(fā)送地址字節(jié)和一個包含轉(zhuǎn)換命令位和指定溫度和相對濕度測量所需分辨率的位的字節(jié)。該器件支持簡單輪詢方法，因此在發(fā)送兩個字節(jié)的轉(zhuǎn)換命令序列后，主機處理器將等待規(guī)格書中規(guī)定的與分辨率相關(guān)的持續(xù)時間，然后再發(fā)出一個帶有地址字節(jié)（0x40 或 0x41）的兩個字節(jié)序列，然后是 T＆RH 讀命令字節(jié) （0x0）（圖 2，頂行）。每次請求溫度和濕度測量時，HTU31D 會將通過發(fā)送原始值的上、下字節(jié)來做出響應(yīng)（圖 2，下兩行）。利用 HTU31D 規(guī)格書中提供的一對公式將原始值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理溫度和濕度值。

圖 2：HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器為快速獲得溫度和相對濕度測量提供了一個直接的接口。（圖片：TE Connectivity Measurement Specialties）

如圖 2 所示，HTU31D 在每一個 16 位數(shù)據(jù)序列后面都有一個字節(jié)，其中包含了器件生成的數(shù)據(jù)循環(huán)冗余校驗 （CRC） 值。該 CRC-8 校驗和能夠檢測出數(shù)據(jù)傳輸中任何地方的單個位錯誤或雙位錯誤，或 8 位窗口內(nèi)的位錯誤群集。通過將這個傳輸?shù)?CRC 值與從所接收數(shù)據(jù)計算出的 CRC 值進行比較，主機處理器可以快速識別失敗的傳輸，并采取適當(dāng)?shù)男袆?，如重?fù)測量命令，短暫地打開 HTU31D 集成加熱元件，發(fā)出復(fù)位，或提醒用戶測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。

傳輸序列的另一個特點是，當(dāng)發(fā)生某種覆蓋需求時，主機可以在其正常完成之前停止響應(yīng)序列。在正常事務(wù)處理中，HTU31D 期望在個數(shù)據(jù)字節(jié)后有一個確認 （ack），在數(shù)據(jù)序列的有一個的不確認 （nack） 和停止序列（見圖 2）。當(dāng)不需要 CRC 數(shù)據(jù)或濕度數(shù)據(jù)時，或者急需設(shè)備復(fù)位或加熱器激活等新命令時，開發(fā)人員可以使用此功能停止進一步傳輸。在這里，主機可以發(fā)出的 ack/stop 序列來立即終止來自傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，而不是在數(shù)據(jù)或 CRC 字節(jié)之后發(fā)送預(yù)期的 ack。

TE 的 HTU31D 提供了一個直接的電氣和功能接口，但采用任何高敏感度的傳感器都需要仔細的物理設(shè)計，以避免因與板上其他設(shè)備的電氣或熱相互作用而產(chǎn)生測量偽影。同樣，在實現(xiàn)命令序列協(xié)議或值轉(zhuǎn)換等式方面時出錯也會拖延不斷演進的產(chǎn)品中的濕度和溫度傳感功能的評估和原型設(shè)計。MikroElektronika 提供的擴展板和相關(guān)軟件允許開發(fā)人員繞過潛在實現(xiàn)問題，并能立即開始設(shè)計和開發(fā)。

4. 快速原型設(shè)計和加速開發(fā)

MikroElektronika MIKROE-4306 基于 HTU31D 的 Temp & Hum 14 Click 擴展板完整實現(xiàn)了傳感器電氣接口（圖 3，左），它安裝在一塊尺寸為 28.6 x 25.4 mm 的電路板上（圖 3，右）。

圖 3：除了作為定制開發(fā)的參考設(shè)計原理圖（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）還為基于 HTU31D 傳感器的測量解決方案的即時評估和快速原型設(shè)計提供了一個平臺。（圖片：MikroElektronika）

與MikroElektronika 和其他供應(yīng)商的其他 mikroBUS Click 擴展板一樣，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板旨在插入到主機處理器板（如 MikroElektronika Fusion 開發(fā)板）中，并與MikroElektronika 的開源 mikroSDK 軟件開發(fā)框架一起使用。

MikroElektronika 為 mikroSDK 環(huán)境補充了軟件包，這些軟件包為特定的 Click 板和開發(fā)板提供了驅(qū)動程序和電路板支持。對于 Temp & Hum 14 Click 板，MikroElektronika 為其Fusion 和其他 MikroElektronika 板系列提供 Temp-Hum 14 Click 軟件包的綁定。

Temp-Hum 14 Click 軟件包支持使用HTU31D 專用功能庫進行開發(fā)，該功能庫可通過應(yīng)用編程接口 （API） 訪問。隨附的示例應(yīng)用程序演示了 HTU31D 傳感器的操作，使用了一組簡單的 API 函數(shù)，具體包括：

· temphum14_set_conversion，執(zhí)行前面提到的轉(zhuǎn)換序列

· temphum14_get_temp_and_hum，執(zhí)行傳感器的 T 和 RH 數(shù)據(jù)序列

· temphum14_get_diagnostic，從 HTU31D 的片上診斷寄存器讀取錯誤狀態(tài)

該示例應(yīng)用程序代碼演示了系統(tǒng)初始化、應(yīng)用初始化和應(yīng)用任務(wù)的執(zhí)行。列表 1 顯示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515 開發(fā)板上運行的軟件包的一個片段，該開發(fā)板基于 NXP的 MK64FN1M0VDC12 Arm？ Cortex？-M4 Kinetis K60 微控制器。