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(lái)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(guò)一定比例的水吸收或釋放到相對(duì)環(huán)境溫度中來(lái)改變電容器的電容量，這種電容量的變化可以通過(guò)檢測(cè)電路來(lái)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(wèn)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(guò)程：使用前，電容式濕度傳感器必須經(jīng)過(guò)一段復(fù)雜的校準(zhǔn)處理過(guò)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)；
⑶模擬信號(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(wèn)題的解決均需要通過(guò)模擬電子電路來(lái)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(wèn)題給基于電容式的濕度測(cè)量帶來(lái)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(lái)，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。
SHT15傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 SHT15溫濕度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
SHT15傳感器的性能參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 SHT15傳感器的性能參數(shù)
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(guò)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：
⑴全校準(zhǔn)數(shù)字輸出，相對(duì)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(diǎn)計(jì)算輸出功能；
⑷無(wú)需外圍元件；
⑸小體積（7×5×3mm），可表面貼裝；
⑹卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
⑺自動(dòng)斷電功能；
⑻工業(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。
(a) 相對(duì)濕度絕對(duì)精度
(b) 溫度精度
(c) 露點(diǎn)精度
圖2 SHT15相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)精度
2.2傳感器信號(hào)輸出
⑴濕度值輸出
SHT15可通過(guò)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(jiàn)圖3。
圖3 SHT15傳感器相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性曲線
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=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6
8位SORH ： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4
⑵溫度值輸出
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
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=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2）
Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077）
2.3命令與接口時(shí)序
SHT15傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見(jiàn)表2。
表2 SHT15傳感器命令列表
下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。
⑴傳輸開(kāi)始
初始化傳輸時(shí)，應(yīng)發(fā)出“傳輸開(kāi)始”命令，命令包括SCK為高時(shí)，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒃谙乱粋€(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(guò)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(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)SCK 9次以上（含9次），并隨后發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開(kāi)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。控制器必須通過(guò)使DATA為低來(lái)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(méi)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(lái)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。
圖4 測(cè)量溫度和測(cè)量濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序
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。
圖5 SHT15與AT89C2051的接口電路
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(lái)虛擬I2C總線，利用P1.0來(lái)虛擬數(shù)據(jù)線DATA，利用P1.1口線來(lái)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(guò)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。
⑴線性
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
⑵2*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(lái)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。
RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋RHlinear
當(dāng)SORH為12位時(shí)t1=0.01；t2=0.00008，當(dāng)SORH為8位時(shí)，t1=0.01；t2=0.00128。
3.3高級(jí)應(yīng)用
SHT15一些高級(jí)功能可通過(guò)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。
表3 SHT15狀態(tài)寄存器的類型及含義
⑴加熱控制
使傳感器芯片中的加熱開(kāi)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：
⑴通過(guò)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；
⑵在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過(guò)加熱來(lái)避免冷凝。
⑵低電壓檢測(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。
⑷測(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，同時(shí)該傳感器也代表了傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。
