新一代基于CMOSensTM技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器及應(yīng)用

　　摘要：介紹了新一代基于CMOSensTM技術(shù)的單片全校準數(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)用特性進行了詳細闡述。

　　關(guān)鍵詞：COMSensTM數(shù)字式溫濕度傳感器

　　1概述

　　當前，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，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傳感器質(zhì)量的重要標準，金屬電極的老化也會使?jié)穸鹊臏y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(jīng)過一段復雜的校準處理過程，為了實現(xiàn)校準，用戶必須擁有復雜且價格昂貴的校準及參考系統(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(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)勢互補作用。

　　2技術(shù)特性

　　2.1基于CMOSensTM傳感器性能特點

　　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行校準的，校準系數(shù)預先存在OTP內(nèi)存中，在測量校準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傳感器的特點如下：

　　⑴全校準數(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(wěn)定性；

　　⑺自動斷電功能；

　　⑻工業(yè)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。

　　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，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數(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=-4c2=0.0405c3=-2.8*10-6

　　8位SORH：c1=-4c2=0.648c3=-7.2*10-4

　　⑵溫度值輸出

　　由設(shè)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(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實際溫度值：

　　溫度=d1＋d2*SOT

　　(a)相對濕度絕對精度

　　(b)溫度精度

　　(c)露點精度

　　圖2SHT15相對濕度、溫度和露點精度

　　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(jù)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序。

　　⑴傳輸開始

　　初始化傳輸時，應(yīng)發(fā)出“傳輸開始”命令，命令包括SCK為高時，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒃谙乱粋€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(fā)SCK9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會使數(shù)據(jù)線為低，此時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校驗和。控制器必須通過使DATA為低來確認每一字節(jié)，所有的量中從右算MSB列于第一位。通訊在確認CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC-8校驗和，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(yīng)的時序如圖4所示。

　　3應(yīng)用設(shè)計

　　3.1硬件接口電路設(shè)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(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)境溫度進行補償。

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

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

　　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，準確度為±0.1V。

　　⑶下載校準系數(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(lǐng)域的應(yīng)用，同時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