新一代基于CMOSensTM技術(shù)的數字式溫濕度傳感器及應用

　　摘要：介紹了新一代基于CMOSensTM技術(shù)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(shù)與傳感器技術(shù)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(shù)的傳感器的技術(shù)特性，應用特性進(jìn)行了詳細闡述。

　　關(guān)鍵詞：COMSensTM數字式溫濕度傳感器

　　1概述

　　當前，在自動(dòng)化測試與控制領(lǐng)域中，溫濕度的測量獲得了越來(lái)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(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(gè)聚合體，它能通過(guò)一定比例的水吸收或釋放到相對環(huán)境溫度中來(lái)改變電容器的電容量，這種電容量的變化可以通過(guò)檢測電路來(lái)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(zhù)以下的問(wèn)題：

　?、艠O低的長(cháng)期穩定性：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(huì )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)量的重要標準，金屬電極的老化也會(huì )使濕度的測量誤差增加；

　?、茦O復雜的校準過(guò)程：使用前，電容式濕度傳感器必須經(jīng)過(guò)一段復雜的校準處理過(guò)程，為了實(shí)現校準，用戶(hù)必須擁有復雜且價(jià)格昂貴的校準及參考系統；

　?、悄M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(wèn)題的解決均需要通過(guò)模擬電子電路來(lái)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(wèn)題給基于電容式的濕度測量帶來(lái)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)結合起來(lái)，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)的結合發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢互補作用。

　　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(gè)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(yè)化CMOS技術(shù)確保了極高的可靠性和卓越的長(cháng)期穩定性，整個(gè)芯片包括經(jīng)校準的相對濕度和溫度傳感器，它們與一個(gè)14位的A/D轉換器相連，每一個(gè)傳感器都是在精確的溫室中進(jìn)行校準的，校準系數預先存在OTP內存中，在測量校準的全過(guò)程都要用到這些系數，二線(xiàn)串行I2C總線(xiàn)接口支持簡(jiǎn)單、快速的系統集成。SHT15傳感器的特點(diǎn)如下：

　?、湃蕯底州敵?，相對濕度、溫度傳感器；

　?、茰囟戎捣直媛蕿?4位，濕度值分辨率為12位，可編程降至12位和8位；

　?、蔷哂新饵c(diǎn)計算輸出功能；

　?、葻o(wú)需外圍元件；

　?、尚◇w積（7×5×3mm），可表面貼裝；

　?、首吭降拈L(cháng)期穩定性；

　?、俗詣?dòng)斷電功能；

　?、坦I(yè)標準I2C總線(xiàn)接口；

　?、涂煽康腃RC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(diǎn)精度如圖2（c）所示。

　　SHT15傳感器的性能參數見(jiàn)表1。

　　2.2傳感器信號輸出

　?、艥穸戎递敵?/p>

　　SHT15可通過(guò)I2C總線(xiàn)直接輸出數字量濕度值，其相對濕度數字輸出特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

　　由圖3數字輸出特性曲線(xiàn)可以看出，SHT15的輸出特性呈一定的非線(xiàn)性，為了補償濕度傳感器的非線(xiàn)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=-4c2=0.0405c3=-2.8*10-6

　　8位SORH：c1=-4c2=0.648c3=-7.2*10-4

　?、茰囟戎递敵?/p>

　　由設計決定的SHT15溫度傳感器的線(xiàn)性非常好，故可用下列公式將溫度數字輸出轉換成實(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2SHT15相對濕度、溫度和露點(diǎn)精度

　　當電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1=-40,d2=0.01，當溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1=-40,d2=0.04。

　?、锹饵c(diǎn)計算

　　空氣的露點(diǎn)值可根據相對濕度和溫度值由下面的公式計算。

　　LogEW=（0.＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2）

　　Dp=（（0.-logEW）*237.3）/（logEW－8.）

　　2.3命令與接口時(shí)序

　　SHT15傳感器共有5條用戶(hù)命令.

　　下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。

　?、艂鬏旈_(kāi)始

　　初始化傳輸時(shí)，應發(fā)出“傳輸開(kāi)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(gè)SCK為高時(shí)將DATA升高。

　　后一個(gè)命令順序包含三個(gè)地址位（目前只支持“000”）和5個(gè)命令位，通過(guò)DATA腳的ack位處于低電位表示SHT15正確收到命令。

　?、七B接復位順序

　　如果與SHT15傳感器的通訊中斷，下列信號順序會(huì )使串口復位：

　　當使DATA線(xiàn)處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK9次以上（含9次），并隨后發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開(kāi)始”命令。

　?、菧貪穸葴y量時(shí)序

　　當發(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(huì )使數據線(xiàn)為低，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK。然后傳送兩字節測量數據與1字節CRC校驗和?？刂破鞅仨毻ㄟ^(guò)使DATA為低來(lái)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(méi)有用CRC-8校驗和，則控制器就會(huì )在測量數據LSB后，保持ack為高來(lái)停止通訊，SHT15在測量和通訊完成之后會(huì )自動(dòng)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的時(shí)序如圖4所示。

　　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。

　　由于A(yíng)T89C2051不具備I2C總線(xiàn)接口，故使用單片機通用I/O口線(xiàn)來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)，利用P1.0來(lái)虛擬數據線(xiàn)DATA，利用P1.1口線(xiàn)來(lái)虛擬時(shí)鐘線(xiàn)，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(xiàn)性校正及溫度補償

　　公式(1)給出的相對濕度的非線(xiàn)性補償計算公式，對于單片機系統而言，由于計算量大而過(guò)于復雜，下面給出簡(jiǎn)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。

　?、啪€(xiàn)性

　　當系統對濕度測量精度要求不高時(shí)，可采用以下的線(xiàn)性計算公式。

　　RHsimple=c1＋c2·SORH

　　這里c1=0.5；c2=0.5

　?、?*線(xiàn)性

　　當系統對濕度測量精度要求較高時(shí)，可采用以下的2*線(xiàn)性計算公式，即用最小的計算復雜性來(lái)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(shí)，a=143，b=512，當108≤SO≤255時(shí)，a=143，b=512。

　?、菧囟妊a償

　　上述濕度計算公式是按環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行計算的，而實(shí)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(huán)境溫度進(jìn)行補償。

　　RHtrue=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear

　　當SORH為12位時(shí)t1=0.01；t2=0.，當SORH為8位時(shí)，t1=0.01；t2=0.。

　　3.3高級應用

　　SHT15一些高級功能可通過(guò)控制內部寄存器狀態(tài)獲得，內部狀態(tài)寄存器為8位，各位的類(lèi)型及含義如表3所示。

　?、偶訜峥刂?/p>

　　使傳感器芯片中的加熱開(kāi)關(guān)接通，傳感器溫度大約增加5℃，這會(huì )使能耗增加至8mA@5v，加熱用途如下：

　　通過(guò)對啟動(dòng)加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比較，可以正確地區別傳感器的功能；

　　在相對濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過(guò)加熱來(lái)避免冷凝。

　?、频碗妷簷z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。

　?、窍螺d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(huì )節省8.2毫秒。

　?、葴y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(chǎng)合。

　　4結束語(yǔ)

　　CMOSensTM技術(shù)是一種全新的基于智能傳感器設計理念的新技術(shù)，該技術(shù)將溫度傳感器、濕度傳感器、信號調理、數字變換、串行數字通信接口、數字校準全部集成到一個(gè)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(lǐng)域的應用，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

　　[1

　　[2]NewgenerationdigitaltemperatureandhumiditysensorbasedonCMOSensTMtechniqueanditsapplication

　　MengchenLimin(Informationtechnologycollegeofheilongjiangaugustfirstlandreclamationuniversity)

　　Abstract:Thispaperintroducesanewgenerationsingle-chipwholecalibrationdigitalcomparativelytemperatureandhumiditysensorbasedonCMOSensTMtechnique.BecauseofintegratingtheCMOSensTMchipandsensortechnique,thesensorhashighintegrationandinfinitesimalcubage.Theproblemthatexistsinthetemperatureandhumiditysensorbasedoncapacitanceisfirstanalyzed,thetechniqueandapplicationcharacteristicsofthesensorbasedonCMOSensTMtechniquearealsoparticularlyexpoundedonthepaper.

　　Keywords:CMOSensTMdigitaltemperatureandhumiditysensor