利用微小型温湿度传感器精准收集数据

有鉴于温度和湿度对建筑物和电子系统的结构完整性的影响，获得对这些参数的准确和可靠测量能力，是消费性、工业和医疗应用的广泛设计基础。人们十分关注湿度和温度对健康的影响，研究显示，这些参数的变化会产生从体感不适到气溶胶化病毒感染等各种影响。
为了满足这种需求，设计人员需要一种成本效益高、外形尺寸小、易于布署的解决方案，以便在各种应用中检测温度和湿度。为了延长当产品应用于偏远或其他难以到达地点的电池寿命，解决方案可能还需要消耗很少的电力，同时保持必要的精度和稳定性。
本文讨论环境温湿度对基础设施、电子系统和人体健康的影响。然后介绍并展示了如何使用TE Connectivity Measurement Specialties的小型湿度和温度传感器，以及设计人员如何利用该传感器来更轻松地满足各种应用的关键测量要求。

准确测量湿度和温度的重要性
在很多领域准确监控和调节湿度和温度水平的能力都发挥着关键作用，这些领域包括供暖、通风和空调（HVAC）系统，以及用于睡眠呼吸暂停的持续正压气道压力（CPAP）装置，甚至会影响到人类的幸福指数。
相对湿度（RH）这个耳熟能详的名词，表示空气中的含水量，是指在给定温度下空气所能容纳最大水量的百分比。和温度一样，湿度过高或过低都会让人感到不舒服，甚至对建筑结构，以及机械设备和电子装置造成损害。
建筑物湿度过高，会导致混凝土和其他材料的腐蚀、霉菌生长和分解。在电子装置中，湿度过高，特别是当装置从阴凉处进入潮湿环境时，可能会因结露而导致短路。
湿度低会造成材料收缩、纸制品损坏、静电积聚。随着积聚量的增加，产生的静电会对电子装置造成损害，并在挥发性有机化合物（VOC）含量较高的环境中引发火灾。因此，RH 传感器在为建筑提供安全、健康的环境方面发挥着重要作用。这在促进人类健康和福祉方面，所需面对的类似问题越来越多。
人类通常会注意到不舒服的温度而不是湿度水平，但过低或过高的湿度水平都会影响健康。湿度过高或过低会加重哮喘和过敏患者的症状，并导致睡眠质量较低，即使健康的人也会有影响。在极低的湿度下，人体组织会因为干燥造成对眼睛或鼻腔的刺激。CPAP制造商通常依靠湿度传感器，来确保他们的设备可为使用者提供合适的潮湿空气。
湿度的测量和控制在公共卫生中发挥着更广泛的作用。研究人员发现，湿度水平不需要达到极端的干燥或潮湿，就能对人体生理发生作用。正常情况下，鼻腔中的水分有助于排出气溶胶化病毒（悬浮在微滴中的病毒）。当鼻腔干燥时，气溶胶病原体可以更深入地渗透到呼吸系统，更容易引起感染。由于这些因素和其他生理因素的影响，当湿度低于40% RH 时，气溶胶化流感病毒的感染力明显提高（图一）。最近的研究显示，相对湿度在40%～60%之间，对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。

 
图一 : 研究显示，低相对湿度与气溶胶化病毒感染性增加之间的关系，将持续推动对较精确测量解决方案需求的增长。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

虽然在众多不同的应用中，准确测量湿度和温度至关重要，但相应的设计要求却限制了开发人员轻松建构有效解决方案的能力。除了对高精度和低长期漂移要求外，许多应用还要求传感器以最小封装，并提供快速测量和低功率消耗操作能力，以便将传感器放置在理想的测量点上，无论是HVAC加湿器、CPAP湿度控制设备还是精密环境监测系统。TE Connectivity 的HTU31D湿度和温度数字传感器，可满足越来越多依赖精确数据应用的要求。

满足关键测量要求的解决方案
HTU31D具有体积小、精度高的特点，适用于从消费性产品到医疗和专业监测系统的各种应用。它采用 6 接脚封装，尺寸为 2.5 x 2.5 x 0.9 mm，已经过完全校准，无需额外的现场校准。由于其体积小，开发人员可以将传感器放置在对早期感测解决方案来说太小的位置，并使用现成的I2C缓冲器或电平移位器，透过其I2C串行接口将远程放置的HTU31D连接到其主机控制器。
HTU31D测量的相对湿度范围为0到100%，典型精度为±2%，相对湿度滞后为±0.7%，典型长期漂移小于0.25% RH/年。该组件的温度测量范围为-40至125℃，典型精度为±0.2℃，典型长期漂移为0.04℃/年。为了保持其可靠性，该传感器整合了一个加热组件，用于消除高湿度水平下的冷凝水，同时带有内部诊断功能，以检测测量误差、加热组件误差和内部存储器误差。
在用于湿度和温度测量的基准模式下，该传感器的分辨率为0.020% RH和0.040°C，转换时间分别为1毫秒（ms）和1.6毫秒。对于更苛刻的要求，该组件还提供了让开发人员以转换时间为代价来提高分辨率的操作模式。在每个传感器的最大分辨率模式下，HTU31D可以提供0.007%的RH（转换时间为7.8毫秒）和0.012℃（转换时间为12.1毫秒）的精度。
对于某些应用，如电池供电型产品，组件的低电流消耗是同样重要的特性。在其基本分辨率模式下工作，每秒执行一次相对湿度和温度测量，组件通常只需要1.04μA。在非活动期间，可将组件置于休眠模式，通常只消耗0.13μA。当然，短暂地使用内部加热器来消除冷凝水或测试温度传感器，同样会导致电流短暂但显着地增加。

简单的硬件和软件接口
HTU31D湿度和温度数字传感器为开发人员的设计提供了简单的硬件和软件整合接口。除了 3至5.5伏特供电电压（VDD）和接地（GND）接脚外，该组件的硬件接口还包括用于I2C标准序列数据（SDA）和序列时钟（SCL）线路的接脚。其余两个接脚包括一个复位（RST）接脚和一个地址（IC_ADD）接脚。当IC_ADD与GND或VDD连接在一起时，该组件分别响应I2C地址0x40或0x41，允许两个HTU31D组件共享同一个I2C总线而不发生冲突。
主机处理器使用基本的I2C序列事务处理进行命令和读取结果发送。命令使用一个由I2C地址组成的双字节序列，后接一个命令字节，透过设置各个位来指定支持的功能，具体包括综合温度和湿度测量、仅湿度测量、复位、加热器打开或关闭、装置序号和诊断。
例如，如要执行温度和相对湿度（T & RH）综合测量，主机将发送地址字节和一个包含转换命令位和指定温度，以及相对湿度测量所需分辨率位的字节。该组件支持简单轮询方法，因此在发送两个字节的转换命令序列后，主机处理器将等待规格书中规定的与分辨率相关的持续时间，然后再发出一个带有地址字节（0x40 或 0x41）的两个字节序列，然后是T＆RH读取命令字节（0x0）（图二，顶行）。每次请求温度和湿度测量时，HTU31D会将透过发送原始值的上、下字节来做出回应（图二，下两行）。利用 HTU31D规格书中提供的一对公式，将原始值转换为相应的实际温度和湿度值。

 
图二 : HTU31D湿度和温度数字传感器为快速获得温度和相对湿度测量，提供了一个直接的接口。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

如图二所示，HTU31D在每一个16位数据序列后面都有一个字节，其中包含了组件产生的数据循环冗余校验（CRC）值。该CRC-8校验和能够检测出数据传输中任何地方的单个位错误或双位错误，或8位窗内的位错误群集。透过将这个传输的CRC值与从所接收资料计算出的CRC值进行比较，主机处理器可以快速识别失败的传输，并采取适当的行动，如重复测量命令，短暂地打开HTU31D整合加热组件，发出复位，或提醒用户测量系统可能出现故障。
传输序列的另一个特点是，当发生某种覆盖需求时，主机可以在其正常完成之前停止响应序列。在正常事务处理中，HTU31D期望在第一个数据字节后有一个确认（ack），在数据序列的最后有一个最后的不确认（nack）和停止序列（见图二）。当不需要CRC数据或湿度数据时，或者急需装置复位或加热器启动等新命令时，开发人员可以使用此功能停止进一步传输。在这里，主机可以发出最后的ack/stop序列来立即终止来自传感器的数据传输，而不是在数据或 CRC 字节之后发送预期的ack。
TE的HTU31D提供一个直接的电气和功能接口，但采用任何高敏感度的传感器都需要仔细的进行实体设计，以避免因与板上其他组件的电气或热相互作用而产生测量伪影。同样地，在实现命令序列协议或值转换等式方面时出错时，也会拖延不断演进产品中的湿度和温度感测功能的评估和原型设计。MikroElektronika提供的扩展板和相关软件允许开发人员绕过潜在实现问题，并能立即开始设计和开发。

快速原型设计和加速开发
MikroElektronika MIKROE-4306采用HTU31D的Temp & Hum 14 Click扩展板完整实现了传感器电气接口（图三，左），它安装在一块尺寸为 28.6 x 25.4 mm 的电路板上（图三，右）。

 
图三 : 除了做为订制开发的参考设计原理图（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）还为采用 HTU31D 传感器的测量解决方案，为实时评估和快速原型设计提供了一个平台。（source：MikroElektronika）

与MikroElektronika和其他供货商的其他mikroBUS Click扩展板一样，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板旨在插入到主机处理器板（如 MikroElektronika Fusion开发板）中，并与MikroElektronika的开源mikroSDK软件开发框架一起使用。
MikroElektronika为mikroSDK环境补充了软件包，这些软件包为特定的Click板和开发板提供了驱动程序和电路板支持。对于Temp & Hum 14 Click 板，MikroElektronika 为其 Fusion 和其他 MikroElektronika 板系列提供Temp-Hum 14 Click软件包的绑定。

Temp-Hum 14 Click软件包支持使用HTU31D专用功能库进行开发，该功能库可透过应用程序设计界面（API）进行存取。随附的范例应用程序展示了HTU31D传感器的操作，使用了一组简单的API函数，具体包括：
‧ temphum14_set_conversion，执行前面提到的转换序列
‧ temphum14_get_temp_and_hum，执行传感器的T和RH数据序列
‧ temphum14_get_diagnostic，从HTU31D的芯片上诊断缓存器读取错误状态

该范例应用程序代码展示了系统初始化、应用初始化和应用任务的执行。列表 1 显示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515开发板上运行的软件包的一个片段，该开发板采用NXP的MK64FN1M0VDC12 Arm Cortex-M4 Kinetis K60 微控制器。
在软件包中包含的范例应用，展示了使用TE HTU31D传感器实现软件应用程序的基本设计模式。例如主例程首先调用系统初始化函数（system_init()）来设置包括HTU31D传感器在内的低层驱动程序，并调用函数（application_init()）来初始化应用资源。在这种情况下，application_init()在执行传感器复位和函数调用 (temphum14_get_diagnostic())以检索传感器的诊断信息并显示诊断信息 (display_diagnostic())之前，会用传感器对象的实例来初始化系统的 I2C 驱动程序。
在短暂的初始化阶段之后，样本应用程序进入了一个无尽的循环，每隔三秒就会调用一个应用程序任务。在程序代码中，应用任务请求以0.020% RH和0.040°C分辨率在如前所述的 HTU31D 基准工作模式下进行转换。
在这种基准模式下，HTU31D只需要1 ms来测量相对湿度，1.6 ms来测量温度。在调用 API 函数 temphum14_get_temp_and_hum()之前，范例应用程序会使用10 ms的延迟 （delay_ms(10)）来拉长等待时间，以获取温度和湿度值。由于该函式库执行了将HTU31D 的原始值转换为实际温度和湿度测量值所需的转换，因此可以直接使用所产生的测量值，在这种情况下，只需记录结果。
利用这个硬件平台和相关的软件环境，开发人员可以快速评估并开发HTU31D传感器应用原型，以获得各种分辨率的精确相对湿度和温度测量值。如需进行订制硬件开发，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板可作为完整的参考设计使用，同时包括完整的原理图和实体设计。如需进行订制软件开发，Temp-Hum 14 Click软件包提供了一个基本的模板，可以建构更全面的应用程序。

结语
湿度和温度对结构和装置的完整性，以及人类的健康和福祉起着至关重要的作用。然而，对湿度和温度的管理是否合适，有赖于测量的精度与普遍的量测方式结合，由于传统传感器方案的限制，这些将很难轻易实现。

TE Connectivity Measurement Specialties的湿度和温度传感器提供了独特的精度、稳定性、尺寸和易用性组合，可满足消费性、工业和医疗应用中新出现的量测要求。

（本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）