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)的結構完整性的影響，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)療應用的廣泛設計基礎。人們十分關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，以便在各種應用中檢測溫度和濕度。為了延長當產(chǎn)品應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)境溫濕度對基礎設施、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，以及設計人員如何利用該傳感器來更輕松地滿足各種應用的關鍵測量要求。

準確測量濕度和溫度的重要性
在很多領域準確監(jiān)控和調節(jié)濕度和溫度水平的能力都發(fā)揮著關鍵作用，這些領域包括供暖、通風和空調（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，甚至會影響到人類的幸福指數(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，甚至對建筑結構，以及機械設備和電子裝置造成損害。
建筑物濕度過高，會導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，可能會因結露而導致短路。
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。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，并導致睡眠質量較低，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用中，準確測量濕度和溫度至關重要，但相應的設計要求卻限制了開發(fā)人員輕松建構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)應用的要求。

滿足關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，同時帶有內部診斷功能，以檢測測量誤差、加熱組件誤差和內部存儲器誤差。
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（轉換時間為7.8毫秒）和0.012℃（轉換時間為12.1毫秒）的精度。
對于某些應用，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，短暫地使用內部加熱器來消除冷凝水或測試溫度傳感器，同樣會導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序列事務處理進行命令和讀取結果發(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、復位、加熱器打開或關閉、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（圖二，下兩行）。利用 HTU31D規(guī)格書中提供的一對公式，將原始值轉換為相應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)男袆樱缰貜蜏y量命令，短暫地打開HTU31D整合加熱組件，發(fā)出復位，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序列。在正常事務處理中，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計。MikroElektronika提供的擴展板和相關軟件允許開發(fā)人員繞過潛在實現(xiàn)問題，并能立即開始設計和開發(fā)。

快速原型設計和加速開發(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)，該功能庫可透過應用程序設計界面（API）進行存取。隨附的范例應用程序展示了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)

該范例應用程序代碼展示了系統(tǒng)初始化、應用初始化和應用任務的執(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用，展示了使用TE HTU31D傳感器實現(xiàn)軟件應用程序的基本設計模式。例如主例程首先調用系統(tǒng)初始化函數(shù)（system_init()）來設置包括HTU31D傳感器在內的低層驅動程序，并調用函數(shù)（application_init()）來初始化應用資源。在這種情況下，application_init()在執(zhí)行傳感器復位和函數(shù)調用 (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 驅動程序。
在短暫的初始化階段之后，樣本應用程序進入了一個無盡的循環(huán)，每隔三秒就會調用一個應用程序任務。在程序代碼中，應用任務請求以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。在調用 API 函數(shù) temphum14_get_temp_and_hum()之前，范例應用程序會使用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 的原始值轉換為實際溫度和濕度測量值所需的轉換，因此可以直接使用所產(chǎn)生的測量值，在這種情況下，只需記錄結果。
利用這個硬件平臺和相關的軟件環(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計使用，同時包括完整的原理圖和實體設計。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，可以建構更全面的應用程序。

結語
濕度和溫度對結構和裝置的完整性，以及人類的健康和福祉起著至關重要的作用。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)技術內容部門應用工程經(jīng)理）