鑒于溫度和濕度對(duì)建筑物和電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性的影響，獲得準(zhǔn)確和可靠的對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量能力是廣泛的消費(fèi)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。人們十分關(guān)注濕度和溫度對(duì)健康的影響，研究表明，這些參數(shù)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(shè)計(jì)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(yīng)用中檢測(cè)溫度和濕度。為了延長(zhǎng)偏遠(yuǎn)或其他難以到達(dá)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(wěn)定性。

本文討論了環(huán)境溫濕度對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、電子系統(tǒng)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(shè)計(jì)人員怎樣利用該傳感器更輕松地滿(mǎn)足各種應(yīng)用的關(guān)鍵測(cè)量要求。

1. 準(zhǔn)確測(cè)量濕度和溫度的重要性

在很多領(lǐng)域準(zhǔn)確監(jiān)控和調(diào)節(jié)濕度和溫度水平的能力都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些領(lǐng)域包括供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 系統(tǒng)以及用于睡眠呼吸暫停的持續(xù)正壓氣道壓力 （CPAP） 設(shè)備，甚至影響人類(lèi)的幸福指數(shù)。

相對(duì)濕度 （RH） 這個(gè)耳熟能詳?shù)拿~，表示空氣中的含水量，是指在給定溫度下空氣所能容納的水量的百分比。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(duì)建筑結(jié)構(gòu)以及機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備造成損害。

建筑物濕度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致混凝土和其他材料的腐蝕、霉菌生長(zhǎng)和分解。在電子設(shè)備中，濕度過(guò)高，特別是當(dāng)設(shè)備從陰涼處進(jìn)入潮濕環(huán)境時(shí)，會(huì)因結(jié)露而導(dǎo)致短路。

濕度低會(huì)造成材料收縮、紙制品損壞、靜電積聚。隨著積聚量的增加，產(chǎn)生的靜電會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成損害，并在揮發(fā)性有機(jī)化合物 （VOC） 含量較高的環(huán)境中引發(fā)火災(zāi)。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(dǎo)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(duì)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(shè)備為用戶(hù)提供合適的潮濕空氣。

濕度的測(cè)量和控制在公共衛(wèi)生中發(fā)揮著更廣泛的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，濕度水平不需要達(dá)到極端的干燥或潮濕，就能對(duì)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(dāng)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(tǒng)，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(dāng)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］。近的研究表明，相對(duì)濕度在 40%～60% 之間對(duì)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(duì)濕度與氣溶膠化病毒感染性增加之間的關(guān)系持續(xù)推動(dòng)對(duì)較測(cè)量解決方案的需求的增長(zhǎng)。（圖片：TE Connectivity Measurement Specialties）

雖然在眾多不同的應(yīng)用中，準(zhǔn)確測(cè)量濕度和溫度至關(guān)重要，但相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求卻限制了開(kāi)發(fā)人員輕松構(gòu)建有效解決方案的能力。除了對(duì)高精度和低長(zhǎng)期漂移要求外，許多應(yīng)用還要求傳感器以封裝提供快速測(cè)量和低功耗操作能力，以便將傳感器放置在理想的測(cè)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)。TE Connectivity 的 HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器可滿(mǎn)足越來(lái)越多依賴(lài)數(shù)據(jù)的應(yīng)用的要求。

2. 滿(mǎn)足關(guān)鍵測(cè)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(fèi)類(lèi)產(chǎn)品到醫(yī)療和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種應(yīng)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(zhǔn)，無(wú)需額外的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。由于其體積小，開(kāi)發(fā)人員可以將傳感器放置在對(duì)早期傳感解決方案來(lái)說(shuō)太小的位置，并使用現(xiàn)成的 I2C緩沖器或電平移位器，通過(guò)其 I2C 串行接口將遠(yuǎn)程放置的HTU31D 連接到其主機(jī)控制器。

HTU31D 測(cè)量的相對(duì)濕度范圍為 0 到 100%，典型精度為 ±2%，相對(duì)濕度滯后為 ±0.7%，典型長(zhǎng)期漂移小于 0.25% RH/年。該器件的溫度測(cè)量范圍為 -40 至 125℃，典型精度為 ±0.2℃，典型長(zhǎng)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(nèi)部診斷功能，以檢測(cè)測(cè)量誤差、加熱元件誤差和內(nèi)部存儲(chǔ)器誤差。

在用于濕度和溫度測(cè)量的基準(zhǔn)模式下，該傳感器的分辨率為 0.020% RH 和 0.040°C，轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為 1 毫秒 （ms） 和 1.6 毫秒。對(duì)于更苛刻的要求，該器件還提供了讓開(kāi)發(fā)人員以轉(zhuǎn)換時(shí)間為代價(jià)來(lái)提高分辨率的操作模式。在每個(gè)傳感器的分辨率模式下，HTU31D 可以提供 0.007% 的RH（轉(zhuǎn)換時(shí)間為 7.8 毫秒）和 0.012℃（轉(zhuǎn)換時(shí)間為 12.1 毫秒）的精度。

對(duì)于某些應(yīng)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(zhí)行相對(duì)濕度和溫度測(cè)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(dāng)然，短暫地使用內(nèi)部加熱器來(lái)消除冷凝水或測(cè)試溫度傳感器，同樣會(huì)導(dǎo)致電流短暫但顯著增加。

3. 簡(jiǎn)單的硬件和軟件接口

HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器為開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù) （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(fù)位 （RST） 引腳和一個(gè)地址 （IC_ADD） 引腳。當(dāng) IC_ADD 與 GND 或 VDD 連接在一起時(shí)，該器件分別響應(yīng) 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(jī)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(jié)果發(fā)送。命令使用一個(gè)由 I2C 地址組成的雙字節(jié)序列，后接一個(gè)命令字節(jié)，通過(guò)設(shè)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(cè)量、僅濕度測(cè)量、復(fù)位、加熱器打開(kāi)或關(guān)閉、設(shè)備序列號(hào)和診斷。

例如，如要執(zhí)行溫度和相對(duì)濕度 （T & RH） 綜合測(cè)量，主機(jī)將發(fā)送地址字節(jié)和一個(gè)包含轉(zhuǎn)換命令位和指定溫度和相對(duì)濕度測(cè)量所需分辨率的位的字節(jié)。該器件支持簡(jiǎn)單輪詢(xún)方法，因此在發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的轉(zhuǎn)換命令序列后，主機(jī)處理器將等待規(guī)格書(shū)中規(guī)定的與分辨率相關(guān)的持續(xù)時(shí)間，然后再發(fā)出一個(gè)帶有地址字節(jié)（0x40 或 0x41）的兩個(gè)字節(jié)序列，然后是 T＆RH 讀命令字節(jié) （0x0）（圖 2，頂行）。每次請(qǐng)求溫度和濕度測(cè)量時(shí)，HTU31D 會(huì)將通過(guò)發(fā)送原始值的上、下字節(jié)來(lái)做出響應(yīng)（圖 2，下兩行）。利用 HTU31D 規(guī)格書(shū)中提供的一對(duì)公式將原始值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理溫度和濕度值。

圖 2：HTU31D 濕度和溫度數(shù)字傳感器為快速獲得溫度和相對(duì)濕度測(cè)量提供了一個(gè)直接的接口。（圖片：TE Connectivity Measurement Specialties）

如圖 2 所示，HTU31D 在每一個(gè) 16 位數(shù)據(jù)序列后面都有一個(gè)字節(jié)，其中包含了器件生成的數(shù)據(jù)循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 值。該 CRC-8 校驗(yàn)和能夠檢測(cè)出數(shù)據(jù)傳輸中任何地方的單個(gè)位錯(cuò)誤或雙位錯(cuò)誤，或 8 位窗口內(nèi)的位錯(cuò)誤群集。通過(guò)將這個(gè)傳輸?shù)?CRC 值與從所接收數(shù)據(jù)計(jì)算出的 CRC 值進(jìn)行比較，主機(jī)處理器可以快速識(shí)別失敗的傳輸，并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，如重復(fù)測(cè)量命令，短暫地打開(kāi) HTU31D 集成加熱元件，發(fā)出復(fù)位，或提醒用戶(hù)測(cè)量系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。

傳輸序列的另一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)發(fā)生某種覆蓋需求時(shí)，主機(jī)可以在其正常完成之前停止響應(yīng)序列。在正常事務(wù)處理中，HTU31D 期望在個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后有一個(gè)確認(rèn) （ack），在數(shù)據(jù)序列的有一個(gè)的不確認(rèn) （nack） 和停止序列（見(jiàn)圖 2）。當(dāng)不需要 CRC 數(shù)據(jù)或濕度數(shù)據(jù)時(shí)，或者急需設(shè)備復(fù)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(jī)可以發(fā)出的 ack/stop 序列來(lái)立即終止來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，而不是在數(shù)據(jù)或 CRC 字節(jié)之后發(fā)送預(yù)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(xì)的物理設(shè)計(jì)，以避免因與板上其他設(shè)備的電氣或熱相互作用而產(chǎn)生測(cè)量偽影。同樣，在實(shí)現(xiàn)命令序列協(xié)議或值轉(zhuǎn)換等式方面時(shí)出錯(cuò)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(píng)估和原型設(shè)計(jì)。MikroElektronika 提供的擴(kuò)展板和相關(guān)軟件允許開(kāi)發(fā)人員繞過(guò)潛在實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并能立即開(kāi)始設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

4. 快速原型設(shè)計(jì)和加速開(kāi)發(fā)

MikroElektronika MIKROE-4306 基于 HTU31D 的 Temp & Hum 14 Click 擴(kuò)展板完整實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)原理圖（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）還為基于 HTU31D 傳感器的測(cè)量解決方案的即時(shí)評(píng)估和快速原型設(shè)計(jì)提供了一個(gè)平臺(tái)。（圖片：MikroElektronika）

與MikroElektronika 和其他供應(yīng)商的其他 mikroBUS Click 擴(kuò)展板一樣，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板旨在插入到主機(jī)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(bǔ)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(qū)動(dòng)程序和電路板支持。對(duì)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(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該功能庫(kù)可通過(guò)應(yīng)用編程接口 （API） 訪(fǎng)問(wèn)。隨附的示例應(yīng)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(shù)，具體包括：

· temphum14_set_conversion，執(zhí)行前面提到的轉(zhuǎn)換序列

· temphum14_get_temp_and_hum，執(zhí)行傳感器的 T 和 RH 數(shù)據(jù)序列

· temphum14_get_diagnostic，從 HTU31D 的片上診斷寄存器讀取錯(cuò)誤狀態(tài)

該示例應(yīng)用程序代碼演示了系統(tǒng)初始化、應(yīng)用初始化和應(yīng)用任務(wù)的執(zhí)行。列表 1 顯示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515 開(kāi)發(fā)板上運(yùn)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。