【導讀】鑒于溫度和濕度對建筑物和電子系統的結構完整性的影響，獲得準確和可靠的對這些參數的測量能力是廣泛的消費、工業(yè)和醫療應用的設計基礎。人們十分關(guān)注濕度和溫度對健康的影響，研究表明，這些參數的變化會(huì )產(chǎn)生從體感不適到氣溶膠化病毒感染等各種影響。
鑒于溫度和濕度對建筑物和電子系統的結構完整性的影響，獲得準確和可靠的對這些參數的測量能力是廣泛的消費、工業(yè)和醫療應用的設計基礎。人們十分關(guān)注濕度和溫度對健康的影響，研究表明，這些參數的變化會(huì )產(chǎn)生從體感不適到氣溶膠化病毒感染等各種影響。
為了滿(mǎn)足這種需求，設計人員需要一種成本效益高、外形尺寸小、易于部署的解決方案，以便在各種應用中檢測溫度和濕度。為了延長(cháng)偏遠或其他難以到達的地點(diǎn)的電池壽命，解決方案可能還需要消耗很少的電力，同時(shí)保持必要的精度和穩定性。
本文討論了環(huán)境溫濕度對基礎設施、電子系統和人體健康的影響。然后介紹并展示了如何使用 TE Connectivity Measurement Specialties 的小型濕度和溫度傳感器，以及設計人員怎樣利用該傳感器更輕松地滿(mǎn)足各種應用的關(guān)鍵測量要求。
準確測量濕度和溫度的重要性
在很多領(lǐng)域準確監控和調節濕度和溫度水平的能力都發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，這些領(lǐng)域包括供暖、通風(fēng)和空調 (HVAC) 系統以及用于睡眠呼吸暫停的持續正壓氣道壓力 (CPAP) 設備，甚至影響人類(lèi)的幸福指數。
相對濕度 (RH) 這個(gè)耳熟能詳的名詞，表示空氣中的含水量，是指在給定溫度下空氣所能容納的最大水量的百分比。和溫度一樣，濕度過(guò)高或過(guò)低都會(huì )讓人感到不舒服，甚至對建筑結構以及機械設備和電子設備造成損害。
建筑物濕度過(guò)高，會(huì )導致混凝土和其他材料的腐蝕、霉菌生長(cháng)和分解。在電子設備中，濕度過(guò)高，特別是當設備從陰涼處進(jìn)入潮濕環(huán)境時(shí)，會(huì )因結露而導致短路。
濕度低會(huì )造成材料收縮、紙制品損壞、靜電積聚。隨著(zhù)積聚量的增加，產(chǎn)生的靜電會(huì )對電子設備造成損害，并在揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 含量較高的環(huán)境中引發(fā)火災。因此，RH 傳感器在為建筑提供安全、健康的環(huán)境方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。在促進(jìn)人類(lèi)健康和福祉方面，類(lèi)似問(wèn)題越來(lái)越多。
人類(lèi)通常會(huì )注意到不舒服的溫度而不是濕度水平，但過(guò)低或過(guò)高的濕度水平都會(huì )影響健康。濕度過(guò)高或過(guò)低會(huì )加重哮喘和過(guò)敏患者的癥狀，并導致睡眠質(zhì)量較低，即使健康的人也會(huì )有影響。在極低的濕度下，人體組織會(huì )干燥，造成對眼睛或鼻腔的刺激。CPAP 制造商通常依靠濕度傳感器來(lái)確保他們的設備為用戶(hù)提供合適的潮濕空氣。
濕度的測量和控制在公共衛生中發(fā)揮著(zhù)更廣泛的作用。研究人員發(fā)現，濕度水平不需要達到極端的干燥或潮濕，就能對人體生理發(fā)生作用。正常情況下，鼻腔中的水分有助于排出氣溶膠化病毒（懸浮在微滴中的病毒）。當鼻腔干燥時(shí)，氣溶膠病原體可以更深入地滲透到呼吸系統，更容易引起感染 [1]。由于這些因素和其他生理因素的影響，當濕度低于 40% RH 時(shí)，氣溶膠化流感病毒的感染力明顯提高（圖 1）[2]。最近的研究表明，相對濕度在 40%～60% 之間對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 [3]。
圖 1：研究表明，低相對濕度與氣溶膠化病毒感染性增加之間的關(guān)系持續推動(dòng)對較精確測量解決方案的需求的增長(cháng)。（圖片來(lái)源：TE Connectivity Measurement Specialties）
雖然在眾多不同的應用中，準確測量濕度和溫度至關(guān)重要，但相應的設計要求卻限制了開(kāi)發(fā)人員輕松構建有效解決方案的能力。除了對高精度和低長(cháng)期漂移要求外，許多應用還要求傳感器以最小封裝提供快速測量和低功耗操作能力，以便將傳感器放置在理想的測量點(diǎn)上，無(wú)論是 HVAC 加濕器、CPAP 濕度控制裝置還是精密環(huán)境監測系統。TE Connectivity 的 HTU31D 濕度和溫度數字傳感器可滿(mǎn)足越來(lái)越多依賴(lài)精確數據的應用的要求。
2. 滿(mǎn)足關(guān)鍵測量要求的解決方案
HTU31D 具有體積小、精度高的特點(diǎn)，適用于從消費類(lèi)產(chǎn)品到醫療和專(zhuān)業(yè)監測系統的各種應用。它采用 6 引腳封裝，尺寸為 2.5 x 2.5 x 0.9 毫米 (mm)，已完全校準，無(wú)需額外的現場(chǎng)校準。由于其體積小，開(kāi)發(fā)人員可以將傳感器放置在對早期傳感解決方案來(lái)說(shuō)太小的位置，并使用現成的 I2C緩沖器或電平移位器，通過(guò)其 I2C 串行接口將遠程放置的HTU31D 連接到其主機控制器。
HTU31D 測量的相對濕度范圍為 0 到 100%，典型精度為 ±2%，相對濕度滯后為 ±0.7%，典型長(cháng)期漂移小于 0.25% RH/年。該器件的溫度測量范圍為 -40 至 125℃，典型精度為 ±0.2℃，典型長(cháng)期漂移為 0.04℃/年。為了保持其可靠性，該傳感器集成了一個(gè)加熱元件，用于消除高濕度水平下的冷凝水，同時(shí)帶有內部診斷功能，以檢測測量誤差、加熱元件誤差和內部存儲器誤差。
在用于濕度和溫度測量的基準模式下，該傳感器的分辨率為 0.020% RH 和 0.040°C，轉換時(shí)間分別為 1 毫秒 (ms) 和 1.6 毫秒。對于更苛刻的要求，該器件還提供了讓開(kāi)發(fā)人員以轉換時(shí)間為代價(jià)來(lái)提高分辨率的操作模式。在每個(gè)傳感器的最大分辨率模式下，HTU31D 可以提供 0.007% 的RH（轉換時(shí)間為 7.8 毫秒）和 0.012℃（轉換時(shí)間為 12.1 毫秒）的精度。
對于某些應用，如電池供電型產(chǎn)品，器件的低電流消耗是同樣重要的特性。在其基本分辨率模式下工作，每秒執行一次相對濕度和溫度測量，器件通常只需要 1.04 微安 (μA)。在非活動(dòng)期間，可將器件置于休眠模式，通常只消耗 0.13 μA。當然，短暫地使用內部加熱器來(lái)消除冷凝水或測試溫度傳感器，同樣會(huì )導致電流短暫但顯著(zhù)增加。
3. 簡(jiǎn)單的硬件和軟件接口
HTU31D 濕度和溫度數字傳感器為開(kāi)發(fā)人員的設計提供了簡(jiǎn)單的硬件和軟件集成接口。除了 3 至 5.5 伏供電電壓 (VDD)和接地 (GND) 引腳外，該器件的硬件接口還包括用于 I2C 標準串行數據 (SDA) 和串行時(shí)鐘 (SCL) 線(xiàn)路的引腳。其余兩個(gè)引腳包括一個(gè)復位 (RST) 引腳和一個(gè)地址 (IC_ADD) 引腳。當 IC_ADD 與 GND 或 VDD 連接在一起時(shí)，該器件分別響應 I2C 地址 0x40 或 0x41，允許兩個(gè) HTU31D 器件共享同一 I2C 總線(xiàn)而不發(fā)生沖突。
主機處理器使用基本的 I2C 串行事務(wù)處理進(jìn)行命令和讀取結果發(fā)送。命令使用一個(gè)由 I2C 地址組成的雙字節序列，后接一個(gè)命令字節，通過(guò)設置各個(gè)位來(lái)指定支持的功能，具體包括綜合溫度和濕度測量、僅濕度測量、復位、加熱器打開(kāi)或關(guān)閉、設備序列號和診斷。
例如，如要執行溫度和相對濕度 (T & RH) 綜合測量，主機將發(fā)送地址字節和一個(gè)包含轉換命令位和指定溫度和相對濕度測量所需分辨率的位的字節。該器件支持簡(jiǎn)單輪詢(xún)方法，因此在發(fā)送兩個(gè)字節的轉換命令序列后，主機處理器將等待規格書(shū)中規定的與分辨率相關(guān)的持續時(shí)間，然后再發(fā)出一個(gè)帶有地址字節（0x40 或 0x41）的兩個(gè)字節序列，然后是 T＆RH 讀命令字節 (0x0)（圖 2，頂行）。每次請求溫度和濕度測量時(shí)，HTU31D 會(huì )將通過(guò)發(fā)送原始值的上、下字節來(lái)做出響應（圖 2，下兩行）。利用 HTU31D 規格書(shū)中提供的一對公式將原始值轉換為相應的物理溫度和濕度值。
圖 2：HTU31D 濕度和溫度數字傳感器為快速獲得溫度和相對濕度測量提供了一個(gè)直接的接口。（圖片來(lái)源：TE Connectivity Measurement Specialties）
如圖 2 所示，HTU31D 在每一個(gè) 16 位數據序列后面都有一個(gè)字節，其中包含了器件生成的數據循環(huán)冗余校驗 (CRC) 值。該 CRC-8 校驗和能夠檢測出數據傳輸中任何地方的單個(gè)位錯誤或雙位錯誤，或 8 位窗口內的位錯誤群集。通過(guò)將這個(gè)傳輸的 CRC 值與從所接收數據計算出的 CRC 值進(jìn)行比較，主機處理器可以快速識別失敗的傳輸，并采取適當的行動(dòng)，如重復測量命令，短暫地打開(kāi) HTU31D 集成加熱元件，發(fā)出復位，或提醒用戶(hù)測量系統可能出現故障。
傳輸序列的另一個(gè)特點(diǎn)是，當發(fā)生某種覆蓋需求時(shí)，主機可以在其正常完成之前停止響應序列。在正常事務(wù)處理中，HTU31D 期望在第一個(gè)數據字節后有一個(gè)確認 (ack)，在數據序列的最后有一個(gè)最后的不確認 (nack) 和停止序列（見(jiàn)圖 2）。當不需要 CRC 數據或濕度數據時(shí)，或者急需設備復位或加熱器激活等新命令時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以使用此功能停止進(jìn)一步傳輸。在這里，主機可以發(fā)出最后的 ack/stop 序列來(lái)立即終止來(lái)自傳感器的數據傳輸，而不是在數據或 CRC 字節之后發(fā)送預期的 ack。
TE 的 HTU31D 提供了一個(gè)直接的電氣和功能接口，但采用任何高敏感度的傳感器都需要仔細的物理設計，以避免因與板上其他設備的電氣或熱相互作用而產(chǎn)生測量偽影。同樣，在實(shí)現命令序列協(xié)議或值轉換等式方面時(shí)出錯也會(huì )拖延不斷演進(jìn)的產(chǎn)品中的濕度和溫度傳感功能的評估和原型設計。MikroElektronika 提供的擴展板和相關(guān)軟件允許開(kāi)發(fā)人員繞過(guò)潛在實(shí)現問(wèn)題，并能立即開(kāi)始設計和開(kāi)發(fā)。
4. 快速原型設計和加速開(kāi)發(fā)
MikroElektronika MIKROE-4306 基于 HTU31D 的 Temp & Hum 14 Click 擴展板完整實(shí)現了傳感器電氣接口（圖 3，左），它安裝在一塊尺寸為 28.6 x 25.4 mm 的電路板上（圖 3，右）。
圖 3：除了作為定制開(kāi)發(fā)的參考設計原理圖（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）還為基于 HTU31D 傳感器的測量解決方案的即時(shí)評估和快速原型設計提供了一個(gè)平臺。（圖片來(lái)源：MikroElektronika）
與MikroElektronika 和其他供應商的其他 mikroBUS Click 擴展板一樣，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板旨在插入到主機處理器板（如 MikroElektronika Fusion 開(kāi)發(fā)板）中，并與MikroElektronika 的開(kāi)源 mikroSDK 軟件開(kāi)發(fā)框架一起使用。
MikroElektronika 為 mikroSDK 環(huán)境補充了軟件包，這些軟件包為特定的 Click 板和開(kāi)發(fā)板提供了驅動(dòng)程序和電路板支持。對于 Temp & Hum 14 Click 板，MikroElektronika 為其Fusion 和其他 MikroElektronika 板系列提供 Temp-Hum 14 Click 軟件包的綁定。
Temp-Hum 14 Click 軟件包支持使用HTU31D 專(zhuān)用功能庫進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該功能庫可通過(guò)應用編程接口 (API) 訪(fǎng)問(wèn)。隨附的示例應用程序演示了 HTU31D 傳感器的操作，使用了一組簡(jiǎn)單的 API 函數，具體包括：
temphum14_set_conversion，執行前面提到的轉換序列
temphum14_get_temp_and_hum，執行傳感器的 T 和 RH 數據序列
temphum14_get_diagnostic，從 HTU31D 的片上診斷寄存器讀取錯誤狀態(tài)
該示例應用程序代碼演示了系統初始化、應用初始化和應用任務(wù)的執行。列表 1 顯示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515 開(kāi)發(fā)板上運行的軟件包的一個(gè)片段，該開(kāi)發(fā)板基于 NXP的 MK64FN1M0VDC12 Arm? Cortex?-M4 Kinetis K60 微控制器。
副本
#include
"Click_TempHum14_types.h"
#include
"Click_TempHum14_config.h"
#include
"Click_TempHum14_other_peripherals.h"
temphum14_diagn_t
status_data;
uint32_t
ser_numb;
float
temperature;
float
humidity;
char
log_text[ 50 ];
[code
deleted]
void
system_init ( )
{
mikrobus_gpioInit( _MIKROBUS1,
_MIKROBUS_RST_PIN, _GPIO_OUTPUT );
mikrobus_i2cInit( _MIKROBUS1,
&TEMPHUM14_I2C_CFG[0] );
mikrobus_logInit( _LOG_USBUART, 9600 );
Delay_ms( 100 );
mikrobus_logWrite(
"-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Temp-Hum 14 click ", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite(
"-----------------------------", _LOG_LINE );
Delay_ms( 100 );
}
void
application_init ( )
{
temphum14_i2c_driver_init(
(temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_GPIO,
(temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_I2C,
TEMPHUM14_I2C_SLAVE_ADDR_GND );
Delay_ms( 100 );
mikrobus_logWrite( " Hardware Reset ", _LOG_LINE );
temphum14_hw_reset( );
Delay_ms( 100 );
ser_numb = temphum14_get_serial_number( );
LongWordToStr( ser_numb, log_text );
Ltrim( log_text );
mikrobus_logWrite(
"-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Serial Number : ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite(
"-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Software Reset ", _LOG_LINE );
temphum14_soft_reset( );
Delay_ms( 100 );
temphum14_get_diagnostic( &status_data
);
Delay_ms( 10 );
display_diagnostic( );
Delay_ms( 100 );
}
void
application_task ( )
{
temphum14_set_conversion(
TEMPHUM14_CONVERSION_HUM_OSR_0_020,
TEMPHUM14_CONVERSION_TEMP_0_040
);
Delay_ms( 10 );
temphum14_get_temp_and_hum(
&temperature, &humidity );
Delay_ms( 10 );
FloatToStr( temperature, log_text );
mikrobus_logWrite( " Temperature : ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( " C",
_LOG_LINE );
FloatToStr( humidity, log_text );
mikrobus_logWrite( " Humidity
: ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( " %",
_LOG_LINE );
mikrobus_logWrite(
"-----------------------------", _LOG_LINE );
Delay_ms( 3000 );
}
void
main ( )
{
system_init( );
application_init( );
for ( ; ; )
{
application_task( );
}
}
列表 1：來(lái)自 MikroElektronika 示例應用程序代碼片段演示了初始化和執行一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)的基本設計模式，以便從 HTU31D 傳感器獲得溫度和相對濕度測量值。（代碼來(lái)源：MikroElektronika）
軟件包中包含的示例應用展示了使用 TE HTU31D 傳感器實(shí)現軟件應用程序的基本設計模式。如列表 1 所示，主例程首先調用系統初始化函數 (system_init()) 來(lái)設置包括 HTU31D 傳感器在內的低層驅動(dòng)程序，并調用函數 (application_init()) 來(lái)初始化應用資源。在這種情況下，application_init()在執行傳感器復位和函數調用 (temphum14_get_diagnostic()) 以檢索傳感器的診斷信息并顯示診斷信息 (display_diagnostic()) 之前，會(huì )用傳感器對象的實(shí)例來(lái)初始化系統的I2C 驅動(dòng)程序。
在短暫的初始化階段之后，樣本應用程序進(jìn)入了一個(gè)無(wú)盡的循環(huán)，每隔三秒就會(huì )調用一個(gè)應用程序任務(wù)。在列表 1 所示的示例代碼中，應用任務(wù)請求以 0.020% RH 和 0.040°C 分辨率在如前所述的HTU31D 基準工作模式下進(jìn)行轉換。在這種基準模式下，HTU31D 只需要 1 ms 來(lái)測量相對濕度，1.6 ms 來(lái)測量溫度。在調用 API 函數 temphum14_get_temp_and_hum() 之前，示例應用程序會(huì )使用 10 ms 的延遲 (delay_ms(10)) 來(lái)拉長(cháng)等待時(shí)間，以獲取溫度和濕度值。由于該庫執行了將 HTU31D 的原始值轉換為物理溫度和濕度測量值所需的轉換，因此可以直接使用所產(chǎn)生的測量值，在這種情況下，只需記錄結果。
利用這個(gè)硬件平臺和相關(guān)的軟件環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員可以快速評估并開(kāi)發(fā) HTU31D 傳感器應用原型，以獲得各種分辨率的精確相對濕度和溫度測量值。如需進(jìn)行定制硬件開(kāi)發(fā)，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板可作為完整的參考設計使用，同時(shí)包括完整的原理圖和物理設計。如需進(jìn)行定制軟件開(kāi)發(fā)，Temp-Hum 14 Click 軟件包提供了一個(gè)基本的模板，可以構建更全面的應用程序。
結語(yǔ)
濕度和溫度對結構和設備的完整性以及人類(lèi)的健康和福祉起著(zhù)至關(guān)重要的作用。然而，對濕度和溫度的管理是否合適有賴(lài)于測量的精度與普遍的測量方式的結合，由于傳統傳感器方案的限制，這些很難輕易實(shí)現。
TE Connectivity Measurement Specialties 的濕度和溫度傳感器提供了獨特的精度、穩定性、尺寸和易用性組合，可滿(mǎn)足消費、工業(yè)和醫療應用中新出現的測量要求。
參考文獻
1. 環(huán)境濕度低會(huì )影響皮膚屏障功能和對流感感染的先天性抵抗力
3. 溫度和濕度對 SARS-CoV-2 和其他包膜病毒穩定性的影響
（作者： Stephen Evanczuk，文章來(lái)源： 得捷電子DigiKey微信公眾號）
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