發布日期：2022-10-09 點擊率：76
摘要：介紹了新一代基于CMOSensTM技術的單片全校準數字式相對溫濕度傳感器，該傳感器是一種將COMS芯片技術與傳感器技術結合在一起構成的高集成度、體積極小的濕度傳感器。文中對基于CMOSensTM技術的傳感器的技術特性，應用特性進行了詳細闡述。
關鍵詞：COMSensTM 數字式 溫濕度傳感器
1 概述
當前，在自動化測試與控制領域中，溫濕度的測量獲得了越來越廣泛的應用，而在眾多的濕度測量方法中，電容式濕度測量法被普遍采用，電容式濕度測量法的原理是將薄膜電容附在不同材質（如玻璃、陶瓷等）上即可做出傳感元件，這種電介質是一個聚合體，它能通過一定比例的水吸收或釋放到相對環境溫度中來改變電容器的電容量，這種電容量的變化可以通過檢測電路來檢驗，這樣就得到了相對空氣濕度的數值。但是現有的基于電容式濕度測量的濕度傳感器普遍存在著以下的問題。
⑴極低的長期穩定性：由于電容式濕度傳感器產品都是被置于大氣環境下，必然會受到一定外部環境的影響，由于傳感器電容元件的尺寸較大，同時由于聚合體層的老化，使得這些傳感器在相同的外部環境下卻顯示出了完全不同的靈敏度，因此每一年的變化、即傳感器的年變化誤差已成為評價傳感器質量的重要標準，金屬電極的老化也會使濕度的測量誤差增加；
⑵極復雜的校準過程：使用前，電容式濕度傳感器必須經過一段復雜的校準處理過程，為了實現校準，用戶必須擁有復雜且價格昂貴的校準及參考系統；
⑶模擬信號處理技術：電容式濕度測量的信號處理是基于模擬測量原理的，模擬測量還與電源電壓、環境溫度、傳感器的精度等因素有關，以上問題的解決均需要通過模擬電子電路來解決，因此不可避免的使成本增加，同時使得傳感器的互換性較差。
以上幾方面的問題給基于電容式的濕度測量帶來了諸多的不便。為了使眾多的濕度傳感器能夠互換使用，同時又能降低成本而不影響傳感器的質量，瑞士Sensirion公司將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，推出了基于智能傳感器理念的CMOSensTM技術的溫濕度傳感器。兩種技術的結合發揮出了巨大的優勢互補作用。
SHT15傳感器的內部結構如圖1所示。
圖1 SHT15溫濕度傳感器的內部結構
SHT15傳感器的性能參數見表1。
表1 SHT15傳感器的性能參數
2 技術特性
2.1基于CMOSensTM傳感器性能特點
SHT15是一款基于CMOSensTM技術的由多個傳感器模塊組成的單片全校準數字輸出的相對濕度和溫度傳感器，它采用了特有的工業化CMOS技術確保了極高的可靠性和卓越的長期穩定性，整個芯片包括經校準的相對濕度和溫度傳感器，它們與一個14位的A/D轉換器相連，每一個傳感器都是在精確的溫室中進行校準的，校準系數預先存在OTP內存中，在測量校準的全過程都要用到這些系數，二線串行I2C總線接口支持簡單、快速的系統集成。SHT15傳感器的特點如下：
⑴全校準數字輸出，相對濕度、溫度傳感器；
⑵溫度值分辨率為14位，濕度值分辨率為12位，可編程降至12位和8位；
⑶具有露點計算輸出功能；
⑷無需外圍元件；
⑸小體積（7×5×3mm），可表面貼裝；
⑹卓越的長期穩定性；
⑺自動斷電功能；
⑻工業標準I2C總線接口；
⑼可靠的CRC傳輸校驗。
傳感器的相對濕度絕對精度如圖2（a）所示，溫度精度如圖2（b）所示，25℃露點精度如圖2（c）所示。
(a) 相對濕度絕對精度
(b) 溫度精度
(c) 露點精度
圖2 SHT15相對濕度、溫度和露點精度
2.2傳感器信號輸出
⑴濕度值輸出
SHT15可通過I2C總線直接輸出數字量濕度值，其相對濕度數字輸出特性曲線見圖3。
圖3 SHT15傳感器相對濕度數字輸出特性曲線
由圖3數字輸出特性曲線可以看出，SHT15的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，可按如下公式修正濕度值：
RHlinear=c1＋c2·SORH＋c3·SORH2 (1)
式中SORH為傳感器相對濕度測量值，系數取值如下：
12位SORH ： c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6
8位SORH ： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4
⑵溫度值輸出
由設計決定的SHT15溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數字輸出轉換成實際溫度值：
溫度=d1＋d2*SOT
當電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時，d1=-40,d2=0.01，當溫度傳感器的分辨率為12位時，d1=-40,d2=0.04。
⑶露點計算
空氣的露點值可根據相對濕度和溫度值由下面的公式計算。
LogEW=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2）
Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077）
2.3命令與接口時序
SHT15傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見表2。
表2 SHT15傳感器命令列表
下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。
⑴傳輸開始
初始化傳輸時，應發出“傳輸開始”命令，命令包括SCK為高時，DATA由高電平變為低電平，并在下一個SCK為高時將DATA升高。
后一個命令順序包含三個地址位（目前只支持“000”）和5個命令位，通過DATA腳的ack位處于低電位表示SHT15正確收到命令。
⑵連接復位順序
如果與SHT15傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：
當使DATA線處于高電平時，觸發SCK 9次以上（含9次），并隨后發一個前述的“傳輸開始”命令。
⑶溫濕度測量時序
當發出了溫（濕）度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210毫秒。為表明測量完成，SHT15會使數據線為低，此時控制器必須重新啟動SCK。然后傳送兩字節測量數據與1字節CRC校驗和。控制器必須通過使DATA為低來確認每一字節，所有的量中從右算MSB列于第一位。通訊在確認CRC數據位后停止。如果沒有用CRC-8校驗和，則控制器就會在測量數據LSB后，保持ack為高來停止通訊，SHT15在測量和通訊完成之后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為使SHT15溫升低于0.1℃,則此時工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時，每秒最多進行3次測量）。
測量溫度和測量濕度命令所對應的時序如圖4所示。
圖4 測量溫度和測量濕度命令所對應的時序
3 應用設計
3.1 硬件接口電路設計
這里以AT89C2051單片機為例給出SHT15與單片機的接口電路如圖5所示。
圖5 SHT15與AT89C2051的接口電路
由于AT89C2051不具備I2C總線接口，故使用單片機通用I/O口線來虛擬I2C總線，利用P1.0來虛擬數據線DATA，利用P1.1口線來虛擬時鐘線，并在DATA端接入一只4.7K的上拉電阻，同時在VDD及GND端接入一只0.1μf的去耦電容。
3.2非線性校正及溫度補償
公式(1)給出的相對濕度的非線性補償計算公式，對于單片機系統而言，由于計算量大而過于復雜，下面給出簡化的計算方法。
為了避免復雜的計算工作量，可根據系統要求的測量精度分別采用以下的小計算量修正算法。
⑴線性
當系統對濕度測量精度要求不高時，可采用以下的線性計算公式。
RHsimple=c1＋c2·SORH
這里c1=0.5； c2=0.5
⑵2*線性
當系統對濕度測量精度要求較高時，可采用以下的2*線性計算公式，即用最小的計算復雜性來提高精確度。
RHreal=（a*SO＋b）/256
這里的SO表示8位濕度傳感器輸出濕度值，當0≤SO≤107時，a=143 ，b=512 ，當108≤SO≤255 時，a=143 ，b=512。
⑶溫度補償
上述濕度計算公式是按環境溫度為25℃進行計算的，而實際的測量溫度值則在一定的范圍內變化，所以應考慮濕度傳感器的溫度系數，按如下公式對環境溫度進行補償。
RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
當SORH為12位時t1=0.01；t2=0.00008，當SORH為8位時，t1=0.01；t2=0.00128。
3.3高級應用
SHT15一些高級功能可通過控制內部寄存器狀態獲得，內部狀態寄存器為8位。
表3 SHT15狀態寄存器的類型及含義
⑴加熱控制
使傳感器芯片中的加熱開關接通，傳感器溫度大約增加5℃，這會使能耗增加至8mA@5v，加熱用途如下：
⑴通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進行比較，可以正確地區別傳感器的功能；
⑵在相對濕度較高的環境下，傳感器可通過加熱來避免冷凝。
⑵低電壓檢測
SHT15的工作極限功能可以檢測VDD電壓是否低于2.45V，準確度為±0.1V。
⑶下載校準系數
為了節省能量并提高速度，OTP在每次測量前都要重新下載校準系數，每一次測量都會節省8.2毫秒。
⑷測量分辨率設定
可以將測量分辨率由14位（溫度）、12位（濕度）分別減少到12位和8位。主要應用于高速或低功耗場合。
4 結束語
CMOSensTM技術是一種全新的基于智能傳感器設計理念的新技術，該技術將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調理、數字變換、串行數字通信接口、數字校準全部集成到一個高集成度、體積極小的芯片當中，極大的方便了溫濕度傳感器在嵌入式測控領域的應用，同時該傳感器也代表了傳感器技術的發展方向。
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