摘要：介紹了新一代基于CMOSensTM技術(shù)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對溫濕度傳感器，該傳感器是一種將COMS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成的高集成度、體積極小的濕度傳感器。文中對基于CMOSensTM技術(shù)的傳感器的技術(shù)特性，應(yīng)用特性進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
關(guān)鍵詞：COMSensTM? 數(shù)字式? 溫濕度傳感器
1 概述
??? 當(dāng)前，在自動化測試與控制領(lǐng)域中，溫濕度的測量獲得了越來越廣泛的應(yīng)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(zhì)（如玻璃、陶瓷等）上即可做出傳感元件，這種電介質(zhì)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(huán)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(yàn)，這樣就得到了相對空氣濕度的數(shù)值。但是現(xiàn)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(wěn)定性：由于電容式濕度傳感器產(chǎn)品都是被置于大氣環(huán)境下，必然會受到一定外部環(huán)境的影響，由于傳感器電容元件的尺寸較大，同時(shí)由于聚合體層的老化，使得這些傳感器在相同的外部環(huán)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(jià)傳感器質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，金屬電極的老化也會使?jié)穸鹊臏y量誤差增加；
??? ⑵極復(fù)雜的校準(zhǔn)過程：使用前，電容式濕度傳感器必須經(jīng)過一段復(fù)雜的校準(zhǔn)處理過程，為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，用戶必須擁有復(fù)雜且價(jià)格昂貴的校準(zhǔn)及參考系統(tǒng)；
??? ⑶模擬信號處理技術(shù)：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(huán)境溫度、傳感器的精度等因素有關(guān)，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(shí)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(shí)又能降低成本而不影響傳感器的質(zhì)量，瑞士Sensirion公司將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，推出了基于智能傳感器理念的CMOSensTM技術(shù)的溫濕度傳感器。兩種技術(shù)的結(jié)合發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。
2 技術(shù)特性
2.1基于CMOSensTM傳感器性能特點(diǎn)
??? SHT15是一款基于CMOSensTM技術(shù)的由多個傳感器模塊組成的單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出的相對濕度和溫度傳感器，它采用了特有的工業(yè)化CMOS技術(shù)確保了極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，整個芯片包括經(jīng)校準(zhǔn)的相對濕度和溫度傳感器，它們與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，每一個傳感器都是在精確的溫室中進(jìn)行校準(zhǔn)的，校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中，在測量校準(zhǔn)的全過程都要用到這些系數(shù)，二線串行I2C總線接口支持簡單、快速的系統(tǒng)集成。SHT15傳感器的特點(diǎn)如下：
⑴全校準(zhǔn)數(shù)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(diǎn)計(jì)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(wěn)定性；
⑺自動斷電功能；
⑻工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口；
⑼可靠的CRC傳輸校驗(yàn)。
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(diǎn)精度如圖2（c）所示。
SHT15傳感器的性能參數(shù)見表1。
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(shù)字量濕度值，其相對濕度數(shù)字輸出特性曲線見圖3。
??? 由圖3數(shù)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(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，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(shù)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(shè)計(jì)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(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值：
??? 溫度=d1＋d2*SOT
??? (a) 相對濕度絕對精度
?? ?(b) 溫度精度
??? (c) 露點(diǎn)精度
圖2 SHT15相對濕度、溫度和露點(diǎn)精度
??? 當(dāng)電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1=-40,d2=0.01，當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1=-40,d2=0.04。
⑶露點(diǎn)計(jì)算
??? 空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對濕度和溫度值由下面的公式計(jì)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(shí)序
??? SHT15傳感器共有5條用戶命令.
下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。
⑴傳輸開始
??? 初始化傳輸時(shí)，應(yīng)發(fā)出“傳輸開始”命令，命令包括SCK為高時(shí)，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個SCK為高時(shí)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(fù)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(fù)位：
??? 當(dāng)使DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK 9次以上（含9次），并隨后發(fā)一個前述的“傳輸開始”命令。
⑶溫濕度測量時(shí)序
??? 當(dāng)發(fā)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(shù)據(jù)線為低，此時(shí)控制器必須重新啟動SCK。然后傳送兩字節(jié)測量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和?？刂破鞅仨毻ㄟ^使DATA為低來確認(rèn)每一字節(jié)，所有的量中從右算MSB列于第一位。通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC-8校驗(yàn)和，則控制器就會在測量數(shù)據(jù)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(shí)工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時(shí)，每秒最多進(jìn)行3次測量）。
??? 測量溫度和測量濕度命令所對應(yīng)的時(shí)序如圖4所示。
3 應(yīng)用設(shè)計(jì)
3.1 硬件接口電路設(shè)計(jì)
??? 這里以AT89C2051單片機(jī)為例給出SHT15與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。
??? 由于AT89C2051不具備I2C總線接口，故使用單片機(jī)通用I/O口線來虛擬I2C總線，利用P1.0來虛擬數(shù)據(jù)線DATA，利用P1.1口線來虛擬時(shí)鐘線，并在DATA端接入一只4.7K的上拉電阻，同時(shí)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(bǔ)償
??? 公式(1)給出的相對濕度的非線性補(bǔ)償計(jì)算公式，對于單片機(jī)系統(tǒng)而言，由于計(jì)算量大而過于復(fù)雜，下面給出簡化的計(jì)算方法。
??? 為了避免復(fù)雜的計(jì)算工作量，可根據(jù)系統(tǒng)要求的測量精度分別采用以下的小計(jì)算量修正算法。
⑴線性
??? 當(dāng)系統(tǒng)對濕度測量精度要求不高時(shí)，可采用以下的線性計(jì)算公式。
??? RHsimple=c1＋c2·SORH
??? 這里c1=0.5； c2=0.5
⑵2*線性
??? 當(dāng)系統(tǒng)對濕度測量精度要求較高時(shí)，可采用以下的2*線性計(jì)算公式，即用最小的計(jì)算復(fù)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(dāng)0≤SO≤107時(shí)，a=143 ，b=512 ，當(dāng)108≤SO≤255 時(shí)，a=143 ，b=512。
⑶溫度補(bǔ)償
??? 上述濕度計(jì)算公式是按環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際的測量溫度值則在一定的范圍內(nèi)變化，所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，按如下公式對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
??? RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
??? 當(dāng)SORH為12位時(shí)t1=0.01；t2=0.00008，當(dāng)SORH為8位時(shí)，t1=0.01；t2=0.00128。
3.3高級應(yīng)用
??? SHT15一些高級功能可通過控制內(nèi)部寄存器狀態(tài)獲得，內(nèi)部狀態(tài)寄存器為8位，各位的類型及含義如表3所示。
⑴加熱控制
??? 使傳感器芯片中的加熱開關(guān)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：
??? 通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比較，可以正確地區(qū)別傳感器的功能；
??? 在相對濕度較高的環(huán)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(zhǔn)確度為±0.1V。
⑶下載校準(zhǔn)系數(shù)
??? 為了節(jié)省能量并提高速度，OTP在每次測量前都要重新下載校準(zhǔn)系數(shù)，每一次測量都會節(jié)省8.2毫秒。
⑷測量分辨率設(shè)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(yīng)用于高速或低功耗場合。
4 結(jié)束語
??? CMOSensTM技術(shù)是一種全新的基于智能傳感器設(shè)計(jì)理念的新技術(shù)，該技術(shù)將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準(zhǔn)全部集成到一個高集成度、體積極小的芯片當(dāng)中，極大的方便了溫濕度傳感器在嵌入式測控領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)該傳感器也代表了傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
[1] HTTP://www.sensirion.com/en/pdf/Datasheet_SHT1x_SHT7x.pdf
[2] New generation digital temperature and humidity sensor based on CMOSensTM technique and its application
Mengchen? Limin (Information technology college of heilongjiang august first land reclamation university )
Abstract: This paper introduces a new generation single-chip whole calibration digital comparatively temperature and humidity sensor based on CMOSensTM technique. Because of integrating the CMOSensTM chip and sensor technique, the sensor has high integration and infinitesimal cubage. The problem that exists in the temperature and humidity sensor based on capacitance is first analyzed, the technique and application characteristics of the sensor based on CMOSensTM technique are also particularly expounded on the paper.
Keywords: CMOSensTM? digital? temperature and humidity sensor
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