新一代基于CMOSensTM技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器及應(yīng)用
作者：CEO
時(shí)間：2022-12-17
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信息摘要：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(duì)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(duì)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
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(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)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(duì)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(dòng)化測(cè)試與控制領(lǐng)域中
，溫濕度的測(cè)量獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，而在眾多的濕度測(cè)量方法中
，電容式濕度測(cè)量法被普遍采用
，電容式濕度測(cè)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
，它能通過一定比例的水吸收或釋放到相對(duì)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(cè)電路來檢驗(yàn)
，這樣就得到了相對(duì)
空氣濕度的數(shù)值
。但是現(xiàn)有的基于電容式濕度測(cè)量的濕度傳感器普遍存在著以下的問題：
⑴極低的長(zhǎng)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(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(píng)價(jià)傳感器質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)
，金屬電極的老化也會(huì)使?jié)穸鹊臏y(cè)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)；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、悄M信號(hào)處理技術(shù)：電容式濕度測(cè)量的信號(hào)處理是基于模擬測(cè)量原理的
，模擬測(cè)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(cè)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(shì)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(gè)傳感器模塊組成的單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出的相對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性
，整個(gè)芯片包括經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器，它們與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)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(zhǔn)的
，校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中，在測(cè)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(jiǎn)單
、快速的系統(tǒng)集成。SHT15傳感器的特點(diǎn)如下：
?div id="d48novz" class="flower left">
、湃?zhǔn)數(shù)字輸出
，相對(duì)濕度、溫度傳感器
；
?div id="d48novz" class="flower left">
、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
；
⑶具有露點(diǎn)計(jì)算輸出功能
；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、葻o需外圍元件；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、尚◇w積（7×5×3mm）
，可表面貼裝
；
⑹卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性
；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、俗詣?dòng)斷電功能；
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、坦I(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(duì)濕度絕對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)濕度測(cè)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
?div id="jfovm50" class="index-wrap">、茰囟戎递敵?/p>
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(duì)濕度絕對(duì)精度
(b)溫度精度
(c)露點(diǎn)精度
圖2SHT15相對(duì)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(duì)濕度和溫度值由下面的公式計(jì)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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，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DATA腳的ack位處于低電位表示SHT15正確收到命令
。
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">、七B接復(fù)位順序
如果與SHT15傳感器的通訊中斷
，下列信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位：
當(dāng)使DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK9次以上（含9次）
，并隨后發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開始”命令
。
⑶溫濕度測(cè)量時(shí)序
當(dāng)發(fā)出了溫（濕）度測(cè)量命令后
，控制器就要等到測(cè)量完成
。使用8/12/14位的分辨率測(cè)量分別需要大約
11/55/210毫秒。為表明測(cè)量完成
，SHT15會(huì)使數(shù)據(jù)線為低
，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK。然后傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和
?div id="jfovm50" class="index-wrap">？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(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后
，保持ack為高來停止通訊，SHT15在測(cè)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(cè)量）
。
測(cè)量溫度和測(cè)量濕度命令所對(duì)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(duì)濕度的非線性補(bǔ)償計(jì)算公式
，對(duì)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(jiǎn)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(cè)量精度分別采用以下的小計(jì)算量修正算法。
?div id="m50uktp" class="box-center"> 、啪€性
當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)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
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">、?*線性
當(dāng)系統(tǒng)對(duì)濕度測(cè)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(cè)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(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償
。
RHtrue=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
當(dāng)SORH為12位時(shí)t1=0.01
；t2=0.，當(dāng)SORH為8位時(shí)
，t1=0.01
；t2=0.。
3.3高級(jí)應(yīng)用
SHT15一些高級(jí)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。
?div id="4qifd00" class="flower right">
、偶訜峥刂?/p>
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(huì)使能耗增加至8mA@5v
，加熱用途如下：
通過對(duì)啟動(dòng)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(duì)濕度較高的環(huán)境下
，傳感器可通過加熱來避免冷凝。
?div id="m50uktp" class="box-center"> 、频碗妷簷z測(cè)
SHT15的工作極限功能可以檢測(cè)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(cè)量前都要重新下載校準(zhǔn)系數(shù)
，每一次測(cè)量都會(huì)節(jié)省8.2毫秒。
?div id="m50uktp" class="box-center"> 、葴y(cè)量分辨率設(shè)定
可以將測(cè)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(chǎng)合
。
4結(jié)束語(yǔ)
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(hào)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(gè)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(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用
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