利用微小型溫濕度傳感器精準收集數(shù)據(jù)

有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，獲得對這些參數(shù)的準確和可靠測量能力，是消費性、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的廣泛設(shè)計基礎(chǔ)。人們十分關(guān)注濕度和溫度對健康的影響，研究顯示，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、易于布署的解決方案，以便在各種應(yīng)用中檢測溫度和濕度。為了延長當產(chǎn)品應(yīng)用于偏遠或其他難以到達地點的電池壽命，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)計人員如何利用該傳感器來更輕松地滿足各種應(yīng)用的關(guān)鍵測量要求。

準確測量濕度和溫度的重要性
在很多領(lǐng)域準確監(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）裝置，甚至?xí)绊懙饺祟惖男腋Ｖ笖?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最大水量的百分比。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)備和電子裝置造成損害。
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。在電子裝置中，濕度過高，特別是當裝置從陰涼處進入潮濕環(huán)境時，可能會因結(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)生的靜電會對電子裝置造成損害，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。這在促進人類健康和福祉方面，所需面對的類似問題越來越多。
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，人體組織會因為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)備可為使用者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。由于這些因素和其他生理因素的影響，當濕度低于40% RH 時，氣溶膠化流感病毒的感染力明顯提高（圖一）。最近的研究顯示，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。

 
圖一 : 研究顯示，低相對濕度與氣溶膠化病毒感染性增加之間的關(guān)系，將持續(xù)推動對較精確測量解決方案需求的增長。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

雖然在眾多不同的應(yīng)用中，準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)人員輕松建構(gòu)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)用還要求傳感器以最小封裝，并提供快速測量和低功率消耗操作能力，以便將傳感器放置在理想的測量點上，無論是HVAC加濕器、CPAP濕度控制設(shè)備還是精密環(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精確數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求。

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，適用于從消費性產(chǎn)品到醫(yī)療和專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的各種應(yīng)用。它采用 6 接腳封裝，尺寸為 2.5 x 2.5 x 0.9 mm，已經(jīng)過完全校準，無需額外的現(xiàn)場校準。由于其體積小，開發(fā)人員可以將傳感器放置在對早期感測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，透過其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。該組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，該傳感器整合了一個加熱組件，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、加熱組件誤差和內(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，該組件還提供了讓開發(fā)人員以轉(zhuǎn)換時間為代價來提高分辨率的操作模式。在每個傳感器的最大分辨率模式下，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，組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)行一次相對濕度和溫度測量，組件通常只需要1.04μA。在非活動期間，可將組件置于休眠模式，通常只消耗0.13μA。當然，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)致電流短暫但顯著地增加。

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整合接口。除了 3至5.5伏特供電電壓（VDD）和接地（GND）接腳外，該組件的硬件接口還包括用于I2C標準序列數(shù)據(jù)（SDA）和序列時鐘（SCL）線路的接腳。其余兩個接腳包括一個復(fù)位（RST）接腳和一個地址（IC_ADD）接腳。當IC_ADD與GND或VDD連接在一起時，該組件分別響應(yīng)I2C地址0x40或0x41，允許兩個HTU31D組件共享同一個I2C總線而不發(fā)生沖突。
主機處理器使用基本的I2C序列事務(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)，透過設(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、裝置序號和診斷。
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，以及相對濕度測量所需分辨率位的字節(jié)。該組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讀取命令字節(jié)（0x0）（圖二，頂行）。每次請求溫度和濕度測量時，HTU31D會將透過發(fā)送原始值的上、下字節(jié)來做出回應(yīng)（圖二，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)的實際溫度和濕度值。

 
圖二 : 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。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

如圖二所示，HTU31D在每一個16位數(shù)據(jù)序列后面都有一個字節(jié)，其中包含了組件產(chǎn)生的數(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位窗內(nèi)的位錯誤群集。透過將這個傳輸?shù)腃RC值與從所接收資料計算出的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?shù)男袆?，如重?fù)測量命令，短暫地打開HTU31D整合加熱組件，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期望在第一個數(shù)據(jù)字節(jié)后有一個確認（ack），在數(shù)據(jù)序列的最后有一個最后的不確認（nack）和停止序列（見圖二）。當不需要CRC數(shù)據(jù)或濕度數(shù)據(jù)時，或者急需裝置復(fù)位或加熱器啟動等新命令時，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)出最后的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進行實體設(shè)計，以避免因與板上其他組件的電氣或熱相互作用而產(chǎn)生測量偽影。同樣地，在實現(xiàn)命令序列協(xié)議或值轉(zhuǎn)換等式方面時出錯時，也會拖延不斷演進產(chǎn)品中的濕度和溫度感測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)。

快速原型設(shè)計和加速開發(fā)
MikroElektronika MIKROE-4306采用HTU31D的Temp & Hum 14 Click擴展板完整實現(xiàn)了傳感器電氣接口（圖三，左），它安裝在一塊尺寸為 28.6 x 25.4 mm 的電路板上（圖三，右）。

 
圖三 : 除了做為訂制開發(fā)的參考設(shè)計原理圖（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）還為采用 HTU31D 傳感器的測量解決方案，為實時評估和快速原型設(shè)計提供了一個平臺。（source：MikroElektronika）

與MikroElektronika和其他供貨商的其他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)，該功能庫可透過應(yīng)用程序設(shè)計界面（API）進行存取。隨附的范例應(yīng)用程序展示了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的芯片上診斷緩存器讀取錯誤狀態(tài)

該范例應(yīng)用程序代碼展示了系統(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)板采用NXP的MK64FN1M0VDC12 Arm Cortex-M4 Kinetis K60 微控制器。
在軟件包中包含的范例應(yīng)用，展示了使用TE HTU31D傳感器實現(xiàn)軟件應(yīng)用程序的基本設(shè)計模式。例如主例程首先調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)（system_init()）來設(shè)置包括HTU31D傳感器在內(nèi)的低層驅(qū)動程序，并調(diào)用函數(shù)（application_init()）來初始化應(yīng)用資源。在這種情況下，application_init()在執(zhí)行傳感器復(fù)位和函數(shù)調(diào)用 (temphum14_get_diagnostic())以檢索傳感器的診斷信息并顯示診斷信息 (display_diagnostic())之前，會用傳感器對象的實例來初始化系統(tǒng)的 I2C 驅(qū)動程序。
在短暫的初始化階段之后，樣本應(yīng)用程序進入了一個無盡的循環(huán)，每隔三秒就會調(diào)用一個應(yīng)用程序任務(wù)。在程序代碼中，應(yīng)用任務(wù)請求以0.020% RH和0.040°C分辨率在如前所述的 HTU31D 基準工作模式下進行轉(zhuǎn)換。
在這種基準模式下，HTU31D只需要1 ms來測量相對濕度，1.6 ms來測量溫度。在調(diào)用 API 函數(shù) temphum14_get_temp_and_hum()之前，范例應(yīng)用程序會使用10 ms的延遲 （delay_ms(10)）來拉長等待時間，以獲取溫度和濕度值。由于該函式庫執(zhí)行了將HTU31D 的原始值轉(zhuǎn)換為實際溫度和濕度測量值所需的轉(zhuǎn)換，因此可以直接使用所產(chǎn)生的測量值，在這種情況下，只需記錄結(jié)果。
利用這個硬件平臺和相關(guān)的軟件環(huán)境，開發(fā)人員可以快速評估并開發(fā)HTU31D傳感器應(yīng)用原型，以獲得各種分辨率的精確相對濕度和溫度測量值。如需進行訂制硬件開發(fā)，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板可作為完整的參考設(shè)計使用，同時包括完整的原理圖和實體設(shè)計。如需進行訂制軟件開發(fā)，Temp-Hum 14 Click軟件包提供了一個基本的模板，可以建構(gòu)更全面的應(yīng)用程序。

結(jié)語
濕度和溫度對結(jié)構(gòu)和裝置的完整性，以及人類的健康和福祉起著至關(guān)重要的作用。然而，對濕度和溫度的管理是否合適，有賴于測量的精度與普遍的量測方式結(jié)合，由于傳統(tǒng)傳感器方案的限制，這些將很難輕易實現(xiàn)。

TE Connectivity Measurement Specialties的濕度和溫度傳感器提供了獨特的精度、穩(wěn)定性、尺寸和易用性組合，可滿足消費性、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中新出現(xiàn)的量測要求。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門應(yīng)用工程經(jīng)理）