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基于COMSensTM技术的数字式温湿度传感器及其应用 [2007-1-27]来源:正岛电器技术应用开发部

摘要:本文介绍了新一代基于CMOSensTM技术的单片全校准温湿度传感器SHT15,该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合在一起构成了高集成度、小体积的数字式温湿度传感器。文中对传感器的性能参数、信号输出、非线性及温度补偿、接口方式进行了详细论述。

关键词:CMOSensTM ;数字式;温湿度传感器;SHT15

中图分类号:TP212.11  文献标识码:A

 

一、概述

温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究及日常生活中被广泛应用,传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程,测量精度难以得到保证,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。瑞士Sensirion公司推出的新一代基于CMOSensTM技术(将CMOS芯片技术与传感器技术结合在一起构成高集成度、体积极小的温湿度传感器技术)的数字式温湿度传感器则很好地解决了湿度传感器存在的上述问题,实现了数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换功能,它有如下优点:

    首先,由具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容,这样除保持了电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自其它方面的影响。厂家一年来的强度测试显示出,传感器即使浸入液体中也不会受到损害。将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体,这就使得测量精度提高并且可以精确得出露点,而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。

其次,将传感器元件、信号放大器、模/数转换器、OTP校准数据存储器、I2C工业标准串行总线等电路功能部件全部采用CMOS技术与温湿度传感器一起放置在一个面积只有几平方毫米的芯片内。这种基于上述CMOSensTM技术的传感器系统的优势极为明显,由于传感器与放大器合为一体,不仅使信号强度增加,更重要的是长期稳定性也得到增强,这对传感器系统是极为重要的。同时,模/数转换也在一个芯片内同时完成,这可使信号对噪声不敏感,而且芯片自身具有的CRC校验功能更使芯片数据传输更可靠。尤其重要的是,在传感器芯片数据存储器内装载的针对每一只传感器的校准数据保证了每一只传感器都有相同的功能,可以实现100%的互换。此外,该传感器还有反应迅速、高精度、低功耗等优点。

基于CMOSensTM技术的传感器的另一个优点是具有I2C二线串行总线接口,这可使传感器方便的与任何类型的微处理器、微控制器接口相连,为温湿度的微机化测试带来极大的方便,这不仅能减少温湿度测试系统的开发时间,还可节约数字化接口的软硬件成本。

 

二、CMOSensTM传感器性能特点

SHT15是一款基于CMOSensTM技术的由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器,其内部结构如图1所示。由于采用了特有的工业化CMOS技术,它具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。芯片内包括经校准的相对湿度和温度传感器,它们与一个14位的A/D转换器相连,每一个传感器都是在精确的温室中进行校准的,校准系数预先存在OTP内存中,在测量校准的全过程都要用到这些系数,二线串行I2C总线接口支持简单、快速的系统集成。SHT15传感器的特点如下:

⑴全校准数字输出相对湿度、温度;

⑵温度值分辨率为14位,湿度值分辨率为12位,可编程降至12位和8位;

⑶具有露点计算输出功能;

⑷无需外围元件;

⑸小体积(7×5×3mm),可表面贴装;

⑹卓越的长期稳定性;

⑺自动断电功能;

⑻工业标准I2C总线接口;

⑼可靠的CRC传输校验。

SHT15的相对湿度绝对精度、温度精度、25℃露点精度如图2所示,性能参数见表1。 

三、传感器信号输出

1、湿度值输出

SHT15可通过I2C总线直接输出数字量湿度值,其相对湿度数字输出特性曲线见图3。

由图3中曲线可以看出,SHT15的输出特性呈一定的非线性,为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据,可按如下公式修正湿度值:

RHlinear=c1c2·SORHc3·SORH2              (1)

式中,SORH—传感器相对湿度测量值。

系数取值如下:

12位SORHc1=-4 ,c2=0.0405 ,c3=-2.8×10-6

8位SORHc1=-4 ,c2=0.648 ,c3=-7.2×10-4

2、温度值输出

SHT15温度传感器的线性非常好,可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值T

T=d1d2·SOT                                   (2)

式中,SOT—传感器温度测量值。

当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时,d1=-40,d2=0.01;当温度传感器的分辨率为12位时,d1=-40,d2=0.04。

3、露点计算

空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式计算。

LogEW=0.66077+ +log10(RH)-2(3)

Dp=               (4)

式中,EW—饱和水蒸气压强(mmHg)。

 

四、非线性校正及温度补偿

公式(1)为相对湿度的非线性补偿计算公式,对于单片机系统而言,计算量大而过于复杂,下面给出简化的计算方法。

(1)线性

当系统对湿度测量精度要求不高时,可采用以下的线性计算公式。

RHsimple=c1c2·SORH                        (5)

式中,c1=0.5, c2=0.5。

(2)2×线性

当系统对湿度测量精度要求较高时,可采用以下的2×线性计算公式,即用最小的计算复杂性来提高精确度。

RHreal=(a·SOb)/256                 (6)

式中,SO—8位湿度传感器输出湿度值。

当0≤SO≤107时,a=143,b=512,当108≤SO≤255 时,a=143,b=512。

(3)温度补偿

上述湿度计算公式是按环境温度为25℃进行计算的,而实际的测量温度值则在一定的范围内变化,所以应考虑湿度传感器的温度系数,按如下公式对环境温度进行补偿。

RH true=(T-25)(t1t2SORH)+RHlinear    (7)

SORH为12位时,t1=0.01,t2=0.00008;当SORH为8位时,t1=0.01,t2=0.00128。

 

五、SHT15寄存器控制

SHT15的一些高级功能可通过控制内部寄存器状态获得,内部状态寄存器为8位,各位的类型及含义如表2所示。
    1、加热控制
    将传感器芯片中的加热开关接通,传感器温度大约增加5℃,加热用途如下:
    (1)通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较,可以正确地区别传感器的功能;
    (2)在相对湿度较高的环境下,传感器可通过加热来避免冷凝。
    2、低电压检测
    SHT15的工作极限功能可以检测VDD电压是否低于2.45V,准确度为±0.1V。
    3、下载校准系数
    为了节省能量并提高速度,OTP在每次测量前都要重新下载校准系数,这会使每一次测量都节省8.2ms。
    4、测量分辨率设定

可以将测量分辨率由14位(温度)、12位(湿度)分别减少到12位和8位,主要应用于高速或低功耗场合。

 

六、命令与接口时序

SHT15传感器共有5条用户命令,具体命令格式见表3。

下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。

1、传输开始
    初始化传输时,应发出“传输开始”命令,具体为SCK是高电平时,DATA由高电平变为低电平,并在下一个SCK为高时将DATA升高。
    接着传输开始命令的下一个命令包含三个地址位(目前只支持“000”)和5个命令位,通过DATA脚的ack位处于低电位表示SHT15正确收到命令。
    2、连接复位顺序
    如果与SHT15传感器的通讯中断,下列信号顺序会使串口复位:当使DATA线处于高电平时,触发SCK 9次以上(含9次),并发一个前述的“传输开始”命令。
    3、温湿度测量时序
    当发出了温(湿)度测量命令后,控制器就要等到测量完成后才开始动作。使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210ms。为表明测量完成,SHT15会使DATA为低电平,此时控制器必须重新启动SCK,然后SHT15传送两字节测量数据与1字节CRC校验和到控制器,控制器必须通过使DATA为低来确认每一字节,通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC-8校验和,则控制器就会在测量数据LSB后,保持ack为高来停止通讯,SHT15在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是,为使SHT15温升高低于0.1℃,则此时工作频率不能大于15%(如:12位精确度时,每秒最多进行3次测量)。
    测量温度和测量湿度命令所对应的时序如图4所示。

 

七、应用电路

SHT 15数字式温湿度传感器可广泛的应用于如下领域:
    ⑴加热通风和空调技术:智能楼宇控制;
    ⑵仓储管理:粮食、烟草、纸张、药材、食品等储藏管理;
    ⑶测量和控制技术:精密光学、电子、化工、机械加工的湿度控制;
    ⑷自动化与过程控制:工业、农业生产制造。

这里给出SHT15与AT89C2051单片机接口构成的温湿度测量电路,如图5。
    由于AT89C2051不具备I2C总线接口,故使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线,利用P1.0口来虚拟数据线DATA,P1.1口线来虚拟时钟线,并在DATA端接入一只4.7kW上拉电阻,同时在VDD及GND端接入一只0.1mF的去耦电容。相应的软件编制应遵循上述的接口时序及I2C总线协议。

 

八、结束语

基于CMOSensTM技术的温湿度传感器将信号放大调理、模/数转换器、校准数据存储器、数字输出接口等功能单元集成在了一个芯片内,确保了传感器极高的可靠性、卓越的长期稳定性及100%的互换性。I2C二线串行总线接口便于和微处理器、微控制器接口相连,实现了温湿度传感器的数字式输出,且免调试、免标定、免外围电路,该传感器将代表着传感器技术的发展方向。

 

参考文献:

[1]HTTP://www.sensirion.com/en/pdf/Datasheet_SHT1x_SHT7x.pdf  [DB/OL]

 

Digital Temperature and Humidity Sensor based on CMOSensTM Ttechnique and its Application

Abstract: A new generation single chip whole— calibration temperature and humidity sensor SHT15 which is based on the CMOSensTM technique is introduced. The sensor that combines CMOS chip and sensor technique is a high integration and small cubage digital temperature and humidity one. The performance parameters, signal output, non-linearity and temperature offset, and interface mode of the sensor are also discussed particularly

Keywords: CMOSensTM  ;digital;temperature and humidity sensor

 

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