利用微小型溫濕度傳感器精準收集數據

有鑒于溫度和濕度對建筑物和電子系統的結構完整性的影響，獲得對這些參數的準確和可靠測量能力，是消費性、工業(yè)和醫療應用的廣泛設計基礎。人們十分關(guān)注濕度和溫度對健康的影響，研究顯示，這些參數的變化會(huì )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(mǎn)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(cháng)當產(chǎn)品應用于偏遠或其他難以到達地點(diǎn)的電池壽命，解決方案可能還需要消耗很少的電力，同時(shí)保持必要的精度和穩定性。
本文討論環(huán)境溫濕度對基礎設施、電子系統和人體健康的影響。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(lái)更輕松地滿(mǎn)足各種應用的關(guān)鍵測量要求。

準確測量濕度和溫度的重要性
在很多領(lǐng)域準確監控和調節濕度和溫度水平的能力都發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，這些領(lǐng)域包括供暖、通風(fēng)和空調（HVAC）系統，以及用于睡眠呼吸暫停的持續正壓氣道壓力（CPAP）裝置，甚至會(huì )影響到人類(lèi)的幸福指數。
相對濕度（RH）這個(gè)耳熟能詳的名詞，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(guò)高或過(guò)低都會(huì )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(guò)高，會(huì )導致混凝土和其他材料的腐蝕、霉菌生長(cháng)和分解。在電子裝置中，濕度過(guò)高，特別是當裝置從陰涼處進(jìn)入潮濕環(huán)境時(shí)，可能會(huì )因結露而導致短路。
濕度低會(huì )造成材料收縮、紙制品損壞、靜電積聚。隨著(zhù)積聚量的增加，產(chǎn)生的靜電會(huì )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(zhù)重要作用。這在促進(jìn)人類(lèi)健康和福祉方面，所需面對的類(lèi)似問(wèn)題越來(lái)越多。
人類(lèi)通常會(huì )注意到不舒服的溫度而不是濕度水平，但過(guò)低或過(guò)高的濕度水平都會(huì )影響健康。濕度過(guò)高或過(guò)低會(huì )加重哮喘和過(guò)敏患者的癥狀，并導致睡眠質(zhì)量較低，即使健康的人也會(huì )有影響。在極低的濕度下，人體組織會(huì )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(lái)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生中發(fā)揮著(zhù)更廣泛的作用。研究人員發(fā)現，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(shí)，氣溶膠病原體可以更深入地滲透到呼吸系統，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(shí)，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，將持續推動(dòng)對較精確測量解決方案需求的增長(cháng)。（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(guān)重要，但相應的設計要求卻限制了開(kāi)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(cháng)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(diǎn)上，無(wú)論是HVAC加濕器、CPAP濕度控制設備還是精密環(huán)境監測系統。TE Connectivity 的HTU31D濕度和溫度數字傳感器，可滿(mǎn)足越來(lái)越多依賴(lài)精確數據應用的要求。

滿(mǎn)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(diǎn)，適用于從消費性產(chǎn)品到醫療和專(zhuān)業(yè)監測系統的各種應用。它采用 6 接腳封裝，尺寸為 2.5 x 2.5 x 0.9 mm，已經(jīng)過(guò)完全校準，無(wú)需額外的現場(chǎng)校準。由于其體積小，開(kāi)發(fā)人員可以將傳感器放置在對早期感測解決方案來(lái)說(shuō)太小的位置，并使用現成的I2C緩沖器或電平移位器，透過(guò)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(cháng)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(cháng)期漂移為0.04℃/年。為了保持其可靠性，該傳感器整合了一個(gè)加熱組件，用于消除高濕度水平下的冷凝水，同時(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)人員以轉換時(shí)間為代價(jià)來(lái)提高分辨率的操作模式。在每個(gè)傳感器的最大分辨率模式下，HTU31D可以提供0.007%的RH（轉換時(shí)間為7.8毫秒）和0.012℃（轉換時(shí)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(dòng)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(lái)消除冷凝水或測試溫度傳感器，同樣會(huì )導致電流短暫但顯著(zhù)地增加。

簡(jiǎn)單的硬件和軟件接口
HTU31D濕度和溫度數字傳感器為開(kāi)發(fā)人員的設計提供了簡(jiǎn)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標準序列數據（SDA）和序列時(shí)鐘（SCL）線(xiàn)路的接腳。其余兩個(gè)接腳包括一個(gè)復位（RST）接腳和一個(gè)地址（IC_ADD）接腳。當IC_ADD與GND或VDD連接在一起時(shí)，該組件分別響應I2C地址0x40或0x41，允許兩個(gè)HTU31D組件共享同一個(gè)I2C總線(xiàn)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(jìn)行命令和讀取結果發(fā)送。命令使用一個(gè)由I2C地址組成的雙字節序列，后接一個(gè)命令字節，透過(guò)設置各個(gè)位來(lái)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(kāi)或關(guān)閉、裝置序號和診斷。
例如，如要執行溫度和相對濕度（T & RH）綜合測量，主機將發(fā)送地址字節和一個(gè)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。該組件支持簡(jiǎn)單輪詢(xún)方法，因此在發(fā)送兩個(gè)字節的轉換命令序列后，主機處理器將等待規格書(shū)中規定的與分辨率相關(guān)的持續時(shí)間，然后再發(fā)出一個(gè)帶有地址字節（0x40 或 0x41）的兩個(gè)字節序列，然后是T＆RH讀取命令字節（0x0）（圖二，頂行）。每次請求溫度和濕度測量時(shí)，HTU31D會(huì )將透過(guò)發(fā)送原始值的上、下字節來(lái)做出回應（圖二，下兩行）。利用 HTU31D規格書(shū)中提供的一對公式，將原始值轉換為相應的實(shí)際溫度和濕度值。

 
圖二 : HTU31D濕度和溫度數字傳感器為快速獲得溫度和相對濕度測量，提供了一個(gè)直接的接口。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

如圖二所示，HTU31D在每一個(gè)16位數據序列后面都有一個(gè)字節，其中包含了組件產(chǎn)生的數據循環(huán)冗余校驗（CRC）值。該CRC-8校驗和能夠檢測出數據傳輸中任何地方的單個(gè)位錯誤或雙位錯誤，或8位窗內的位錯誤群集。透過(guò)將這個(gè)傳輸的CRC值與從所接收資料計算出的CRC值進(jìn)行比較，主機處理器可以快速識別失敗的傳輸，并采取適當的行動(dòng)，如重復測量命令，短暫地打開(kāi)HTU31D整合加熱組件，發(fā)出復位，或提醒用戶(hù)測量系統可能出現故障。
傳輸序列的另一個(gè)特點(diǎn)是，當發(fā)生某種覆蓋需求時(shí)，主機可以在其正常完成之前停止響應序列。在正常事務(wù)處理中，HTU31D期望在第一個(gè)數據字節后有一個(gè)確認（ack），在數據序列的最后有一個(gè)最后的不確認（nack）和停止序列（見(jiàn)圖二）。當不需要CRC數據或濕度數據時(shí)，或者急需裝置復位或加熱器啟動(dòng)等新命令時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以使用此功能停止進(jìn)一步傳輸。在這里，主機可以發(fā)出最后的ack/stop序列來(lái)立即終止來(lái)自傳感器的數據傳輸，而不是在數據或 CRC 字節之后發(fā)送預期的ack。
TE的HTU31D提供一個(gè)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(jìn)行實(shí)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(shí)現命令序列協(xié)議或值轉換等式方面時(shí)出錯時(shí)，也會(huì )拖延不斷演進(jìn)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(guān)軟件允許開(kāi)發(fā)人員繞過(guò)潛在實(shí)現問(wèn)題，并能立即開(kāi)始設計和開(kāi)發(fā)。

快速原型設計和加速開(kāi)發(fā)
MikroElektronika MIKROE-4306采用HTU31D的Temp & Hum 14 Click擴展板完整實(shí)現了傳感器電氣接口（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(kāi)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(shí)時(shí)評估和快速原型設計提供了一個(gè)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(kāi)發(fā)板）中，并與MikroElektronika的開(kāi)源mikroSDK軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)板提供了驅動(dòng)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(zhuān)用功能庫進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該功能庫可透過(guò)應用程序設計界面（API）進(jìn)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(jiǎn)單的API函數，具體包括：
? temphum14_set_conversion，執行前面提到的轉換序列
? temphum14_get_temp_and_hum，執行傳感器的T和RH數據序列
? 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初始化、應用初始化和應用任務(wù)的執行。列表 1 顯示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515開(kāi)發(fā)板上運行的軟件包的一個(gè)片段，該開(kāi)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(shí)現軟件應用程序的基本設計模式。例如主例程首先調用系統初始化函數（system_init()）來(lái)設置包括HTU31D傳感器在內的低層驅動(dòng)程序，并調用函數（application_init()）來(lái)初始化應用資源。在這種情況下，application_init()在執行傳感器復位和函數調用 (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(huì )用傳感器對象的實(shí)例來(lái)初始化系統的 I2C 驅動(dòng)程序。
在短暫的初始化階段之后，樣本應用程序進(jìn)入了一個(gè)無(wú)盡的循環(huán)，每隔三秒就會(huì )調用一個(gè)應用程序任務(wù)。在程序代碼中，應用任務(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(jìn)行轉換。
在這種基準模式下，HTU31D只需要1 ms來(lái)測量相對濕度，1.6 ms來(lái)測量溫度。在調用 API 函數 temphum14_get_temp_and_hum()之前，范例應用程序會(huì )使用10 ms的延遲 （delay_ms(10)）來(lái)拉長(cháng)等待時(shí)間，以獲取溫度和濕度值。由于該函式庫執行了將HTU31D 的原始值轉換為實(shí)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(gè)硬件平臺和相關(guān)的軟件環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員可以快速評估并開(kāi)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(jìn)行訂制硬件開(kāi)發(fā)，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板可作為完整的參考設計使用，同時(shí)包括完整的原理圖和實(shí)體設計。如需進(jìn)行訂制軟件開(kāi)發(fā)，Temp-Hum 14 Click軟件包提供了一個(gè)基本的模板，可以建構更全面的應用程序。

結語(yǔ)
濕度和溫度對結構和裝置的完整性，以及人類(lèi)的健康和福祉起著(zhù)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(lài)于測量的精度與普遍的量測方式結合，由于傳統傳感器方案的限制，這些將很難輕易實(shí)現。

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

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區技術(shù)內容部門(mén)應用工程經(jīng)理）