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，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：
?、艠O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(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，為了實現(xiàn)校準(zhǔn)，用戶必須擁有復(fù)雜且價格昂貴的校準(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(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：
?、湃?zhǔn)數(shù)字輸出，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需外圍元件；
⑸小體積（7×5×3mm），可表面貼裝；
?、首吭降拈L期穩(wěn)定性；
?、俗詣訑嚯姽δ埽?/p>
?、坦I(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口；
?、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(shù)見表1。
2.2傳感器信號輸出
?、艥穸戎递敵?/p>
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=-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(diǎn)精度
圖2SHT15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，d1=-40,d2=0.01，當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時，d1=-40,d2=0.04。
?、锹饵c(diǎn)計算
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。
?、艂鬏旈_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?，并在下一個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(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，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。
?、菧貪穸葴y量時序
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?？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(jìn)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(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(bǔ)償
公式(1)給出的相對濕度的非線性補(bǔ)償計算公式，對于單片機(jī)系統(tǒng)而言，由于計算量大而過于復(fù)雜，下面給出簡化的計算方法。
為了避免復(fù)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。
?、啪€性
當(dāng)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
?、?*線性
當(dāng)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(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，a=143，b=512，當(dāng)108≤SO≤255時，a=143，b=512。
?、菧囟妊a(bǔ)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。
RHtrue=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
當(dāng)SORH為12位時t1=0.01；t2=0.，當(dāng)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。
?、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。
?、窍螺d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。
?、葴y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(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)
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[2]NewgenerationdigitaltemperatureandhumiditysensorbasedonCMOSensTMtechniqueanditsapplication
MengchenLimin(Informationtechnologycollegeofheilongjiangaugustfirstlandreclamationuniversity)
Abstract:Thispaperintroducesanewgenerationsingle-chipwholecalibrationdigitalcomparativelytemperatureandhumiditysensorbasedonCMOSensTMtechnique.BecauseofintegratingtheCMOSensTMchipandsensortechnique,thesensorhashighintegrationandinfinitesimalcubage.Theproblemthatexistsinthetemperatureandhumiditysensorbasedoncapacitanceisfirstanalyzed,thetechniqueandapplicationcharacteristicsofthesensorbasedonCMOSensTMtechniquearealsoparticularlyexpoundedonthepaper.
Keywords:CMOSensTMdigitaltemperatureandhumiditysensor
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