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数字温湿度传感器(SHT 1x/ SHT 7x)
文章来源:www.www.swedenno1.net   发布者:学生毕业作品网站  

数字温湿度传感器(SHT 1x/ SHT 7x)

_ 相对湿度和温度测量

_ 兼有露点

_ 全标定输出,无需标定即可互换使用

_ 卓越的长期稳定性

_ 两线制数字接口,无需额外部件

_ 基于请求式测量,因此低能耗

_ 表面贴片或4 针引脚安装

_ 超小尺寸

_ 自动休眠

SHT1x / SHT7x 产品概述

SHTxx 系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片, 提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens® 技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件,一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此,该产品具有品质卓越,超快响应,抗干扰能力强,极高的性价比等优点。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式储存在OTP 内存中,在标定的过程中使用。两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积,极低的功耗,使其成为各类应用的首选。产品提供表面贴片 LCC 或4 针单排引脚封装。特殊封装形式可根据用户需求而提供。

应用领域                                 框图

_ 暖通空调HVAC

_ 汽车

_ 消费品

_气象站

_湿度调节器

_除湿器

_ 测试及检测设备

_ 数据记录器

_ 自动控制

_ 家电

_ 医疗

2 接口说明

图 2 典型应用电路

2.1 电源引脚

SHTxx 的供电电压为2.4~5.5V。传感器上电后,要等待11ms 以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF 的电容,用以去耦滤波。

2.2 串行接口 (两线双向)

SHTxx 的串行接口,在传感器信号的读取及电源损耗方面,都做了优化处理;但与I2C 接口不兼容,详情参见 FAQ

2.2.1 串行时钟输入 (SCK)

SCK 用于微处理器与SHTxx 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK 频率。

2.2.2 串行数据 (DATA)

DATA 三态门用于数据的读取。DATA 在SCK 时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK 时钟上升沿有效。数据传输期间,在SCK 时钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如:10kΩ)将信号提拉至高电平(参见图2)。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O 电路中。详细的IO特性,参见表 5。

2.2.3 发送命令

用一组“ 启动传输”时序,来表示数据传输的初始化。它包括:当SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平,紧接着SCK 变为低电平,随后是在SCK 时钟高电平时DATA 翻转为高电平。

图 3 "启动传输" 时序

后续命令包含三个地址位(目前只支持“000”),和五个命令位。SHTxx 会以下述方式表示已正确地接收到指令:在第8 个SCK 时钟的下降沿之后,将DATA 下拉为低电平(ACK 位)。在第9 个SCK 时钟的下降沿之后,释放DATA(恢复高电平)。

表2 SHT控制命令代码

命令代码

含义

00011

测量温度

00101

测量湿度

00111

读内部状态寄存器

11110

复位命令,使内部状态寄存器恢复默认值,下一次命令前至少等11ms

其他

保留

2.2.4 测量时序(RH 和 T)

发布一组测量命令(‘00000101’表示相对湿度RH,‘00000011’表示温度T)后,控制器要等待测量结束。这个过程需要大约11/55/210ms,分别对应8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度,最多有±15%变化。SHTxx 通过下拉DATA 至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束。控制器在再次触发SCK 时钟前,必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2 个字节的测量数据和1 个字节的CRC 奇偶校验。uC 需要通过下拉DATA 为低电平,以确认每个字节。所有的数据从MSB 开始,右值有效(例如:对于12bit 数据,从第5 个SCK 时钟起算作MSB; 而对于 8bit 数据, 首字节则无意义)。用 CRC 数据的确认位,表明通讯结束。如果不使用CRC-8 校验,控制器可以在测量值LSB 后,通过保持确认位ack 高电平, 来中止通讯。在测量和通讯结束后,SHTxx 自动转入休眠模式。

警告:为保证自身温升低于0.1℃,SHTxx 的激活时间不要超过15%(例如,对应12bit 精度测量,每秒最多进行3 次测量)。

2.2.5 通讯复位时序

如果与 SHTxx 通讯中断,下列信号时序可以复位串口:当DATA 保持高电平时,触发SCK 时钟9 次或更多。在下一次指令前,发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口,状态寄存器内容仍然保留。

图 4 通讯复位时序

2.2.6 CRC-8 校验

数字信号的整个传输过程由 8bit 校验来确保。任何错误数据将被检测到并清除。详情可参阅应用说明“CRC-8 校验”。

图 6 测量时序概览 (TS = 启动传输)

2.3 状态寄存器

SHTxx 的某些高级功能可以通过状态寄存器实现。下面的章节概括介绍了这些功能。

详情可参阅应用说明“状态寄存器”。

图 7 状态寄存器读                           图 8 状态寄存器写

2.3.1 测量分辨率

默认的测量分辨率分别为14bit(温度),12bit(湿度),也可分别降至12bit 和8bit。通常在高速或超低功耗的应用中采用该功能。

2.3.2 电量不足

“电量不足”功能可监测到Vdd 电压低于2.47V 的状态。精度为±0.05V。

2.3.3 加热元件

芯片上集成了一个可通断的加热元件。接通后,可将SHTxx 的温度提高大约5℃(9℉)。功耗增加8mA@ 5V。

应用于:比较加热前后的温度和湿度值,可以综合验证两个传感器元件的性能。

• 在高湿 (>95 %RH) 环境中,加热传感器可预防结露,同时缩短响应时间,提高精度。

警告: 加热 SHTxx 后温度升高,相对湿度降低,较之加热前,示值略有差异。

3 输出转换为物理量

3.1 相对湿度

为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据,建议使用如下公式1修正读数:

RHlinear = c1 +c2 •SORH +c3 •

       表 6 湿度转换系数                           表 7 温度补偿系数

湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

图 10 从 SORH 转换到相对湿度

3.1.1 相对湿度对于温度依赖性的补偿

由于实际温度与测试参考温度25℃ (~77℉)的显著不同, 应考虑湿度传感器的温度修正系数:RHtrue = (T°C - 25)•(t1 +t2 •SORH)+RHlinear

3.2 温度

由能隙材料PTAT (正比于绝对温度) 研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出转换为温度值:Temperatur e = d1 +d2 •SOT

表 8 温度转换系数

3.3 露点

由于湿度与温度经由同一块芯片测量,SHTxx 系列产品可以同时实现高质量的露点测量。可参阅应用说明“露点计算”。

4 应用信息

4.1 工作与贮存条件

图 11 建议的工作条件

超出建议的工作范围可能导致最大3%的RH 信号暂时性漂移。当恢复到正常工作条件后,传感器会缓慢自恢复到校正状态。可参阅4.3 小节的“恢复处理”以加速恢复进程。在非正常条件下的长时间使用,会加速产品的老化。

4.2 暴露在化学物质中

用于湿度测量的聚合物会受到化学蒸汽的侵蚀,化学物质在聚合物中的扩散可能导致测量元件精度的漂移与灵敏性下降。在纯净的环境中,污染物将缓慢释放。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。强化学污染可能导致传感器的彻底损坏。

4.3 恢复处理

暴露在极端工作条件或化学蒸汽中的传感器,可通过如下处理,使其恢复到校准状态。在80-90℃ (176-194℉) 和< 5%RH 的湿度条件下保持 24小时(烘干); 随后在20-30℃ (70-90℉) 和>74%RH 的湿度条件下保持48 小时(重新水合)

4.4 温度影响

气体的相对湿度,在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时,应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板,在安装时应尽可能将SHTxx远离电子元件,并安装在热源下方,同时保持外壳的良好通风。为降低热传导,SHT1x 与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小,并在两者之间留出一道缝隙。

4.5 薄膜

薄膜可防止灰尘进入,以保护传感器。同时会减少化学蒸汽的浓度。为获取最佳的响应时间,薄膜内的空气量必须保持在最少。对于SHT1X 封装系列,盛世瑞恩推荐使用SF1 型过滤罩,以达到最优的IP67 保护等级。

4.6 光线

SHTxx 对光线不敏感。但长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中,会使外壳老化。

4.7 用于密封和安装的材质

许多材质吸收湿气并将充当缓冲器的角色,这会加大响应时间和迟滞。因此传感器周边的材质应谨慎选用。推荐使用的材料有:所有的金属, LCP,POM (Delrin), PTFE (Teflon), PE, PEEK,PP, PB,PPS, PSU, PVDF, PVF用于密封和粘合的材质(保守推荐):推荐使用充满环氧树脂的方法进行电子元件的封装,或是硅树脂。这些材料释放的气体也有可能污染SHTxx(见4.2)。加工后应将传感器置于通风良好处,或在50℃的环境中干燥24小时,以使其在封装前将污染气体释放。

4.8 接线注意事项与信号完整性

使SCK和DATA信号线平行并尽可能使间距超过10cm(如使用导线),否则将导致串扰和信号丢失。解决方法是在两个信号线之间放置VDD和/或GND。详情可参阅应用说明“ESD,latch-up和EMC”。如使用导线,应在电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF 的电容,用以去耦滤波。

4.9 ESD (静电释放)

ESD静电释放符合MIL STD 883E method 3015标准。电路闭锁测试依据JEDEC 17标准,满足强制电流在±100 mA,环境温度Tamb = 80℃条件下不闭锁.

5 注意事项

5.1 警告,人身伤害

勿将本产品作为安全保护或急停设备,以及其它由于本产品故障导致人身伤害的应用中。如不遵从此建议,可能导致死亡和严重的人身伤害。

如果将购买或使用任何SENSIRION AG产品这种意外或未经授权的应用程序,买方应赔偿并SENSIRION公司及其高级人员,雇员,子公司,分公司和经销商对所有索赔无害,成本,损失和费用,以及合理的律师费所产生的直接或间接的任何索赔或人身伤害这种意外或未经授权使用相关的死亡,甚至如果这种主张称,SENSIRION AG公司有关的疏忽设计或制造的一部分。

5.2 ESD 静电释放的预防

由于元件的固有设计,导致其对静电的敏感性。为防止静电导入的伤害或者降低产品性能,在应用本产品时,请采取必要的防静电措施。

5.3 品质保证

SENSIRION AG对其产品应用在那些特殊的应用场合不做任何的保证,担保,或是书面陈述。同时SENSIRION AG对其产品应用到产品或是电路中的可靠性也不做任何承诺。典型的“参数”在不同的应用中,有所不同。所有的操作参数,包括“典型的”必须经过客户的技术专家验证.

SENSIRION AG保留权利,而在此文件不作另行通知改变产品的规格要求和/或信息以提高可靠性,功能和设计。

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