Potřeba monitorovat teplotu a vlhkost se stala běžnou součástí čím dál většího počtu zařízení. Navíc se standardem stalo bezdrátové měření, a tak senzorový systém musí splnit požadavky nejen na velmi malou velikost, ale i na velmi malou spotřebu energie, a to při zachování vysoké přesnosti a stability měření.
Tento článek pojednává o vlivu teploty a vlhkosti prostředí na infrastrukturu, elektronické systémy a lidské zdraví. Poté se bude věnovat miniaturnímu snímači vlhkosti a teploty od TE Connectivity Measurement Specialties, který splňuje výše zmíněné požadavky.
Důležitost přesného měření vlhkosti a teploty
Schopnost přesně monitorovat a upravovat úroveň vlhkosti a teploty hraje klíčovou roli v celé řadě oblastí, včetně systémů vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) nebo zařízení pro spánkovou apnoe (CPAP-continuous positive airway pressure).
Známý termín relativní vlhkost (RH) vyjadřuje obsah vody ve vzduchu jako procento maximálního množství vody, které může vzduch při dané teplotě pojmout. Stejně jako teplota, i příliš vysoká nebo příliš nízká úroveň vlhkosti může být pro člověka nepříjemná a může dokonce poškodit konstrukci nebo mechanické či elektronické součásti.
Vysoká úroveň vlhkosti v budovách může vést ke korozi, růstu plísní a rozpadu betonu či jiných materiálů. V elektronických zařízeních může vysoká úroveň vlhkosti vést ke zkratům v důsledku kondenzace, zejména pokud je zařízení přemístěno do vlhkého prostředí z chladnějšího místa.
Nízká úroveň vlhkosti může způsobit smrštění materiálů, poškození papírových výrobků a hromadění statické elektřiny. Při zvýšeném nahromadění může výsledný elektrostatický výboj způsobit poškození elektronických zařízení a zapálit požár v prostředích s vysokou úrovní těkavých organických sloučenin ve vzduchu (VOC).
Senzory relativní vlhkosti RH proto hrají důležitou roli při zajišťování bezpečného a zdravého prostředí v budovách. Lidé si obvykle všimnou spíše nepříjemných teplot než nevhodné úrovně vlhkosti. Nadměrně nízká nebo vysoká úroveň vlhkosti ovlivňuje lidské zdraví. Vysoká nebo nízká vlhkost může zhoršit astma i alergické reakce a může vést ke snížení kvality spánku i u jinak zdravých jedinců.
Při velmi nízké úrovni vlhkosti lidská tkáň vysychá a způsobuje podráždění očí nebo nosních cest. Výrobci zařízení pro spánkovou apnoe (CPAP) se obvykle spoléhají na snímače vlhkosti, aby zajistili, že jejich zařízení bude dodávat uživatelům vzduch se správnou úrovní relativní vlhkosti.
Vědci zjistili, že nevhodná úroveň vlhkosti nemusí být jen extrémní suchost nebo extrémní vlhkost, ale i jiné úrovně mají vliv na fyziologii člověka. Vlhkost v nosních dutinách obvykle pomáhá vyhnat aerosolizované viry (viry suspendované v mikroskopických kapičkách). Když jsou nosní cesty suché, mohou aerosolizované patogeny proniknout hlouběji do dýchacího systému a snadněji způsobit infekci. Kvůli těmto a dalším fyziologickým faktorům je infekčnost aerosolizovaného viru chřipky významně vyšší při úrovních vlhkosti pod 40% RH (obrázek 1). Novější studie naznačují, že RH mezi 40% a 60% také hraje roli při snižování infekce COVID-19.
Obrázek 1: Vztah mezi nízkými hladinami RH a zvýšenou infekčností aerosolizovaných virů. (Zdroj obrázku: TE Connectivity Measurement Specialties)
Kromě nutnosti vysoké přesnosti a zároveň velmi nízké spotřeby elektrické energie je důležitým faktorem také velikost senzoru. Velikost senzoru zásadně ovlivňuje umístění senzoru v ideálním bodě měření. Digitální senzor vlhkosti a teploty HTU31D od TE Connectivity splňuje již výše zmíněné vlastnosti.
Parametry měření
Díky malým rozměrům a vysoké přesnosti je HTU31D optimalizován pro aplikace od spotřebního zboží až po lékařské a profesionální monitorovací systémy. Je dodáván v 6 pinovém pouzdru o rozměrech 2,5 x 2,5 x 0,9 mm a je plně kalibrován již z výroby. Takže není nutná další kalibrace v terénu. Díky svým miniaturním rozměrům lze snímač umístit na malé desky plošných spojů a připojit jej prostřednictvím sériového rozhraní I²C k hostitelskému procesoru pomocí vyrovnávacích pamětí I²C buffers nebo převodníků úrovně tzv. level shifters
HTU31D měří relativní vlhkost RH od 0 do 100% s přesností ± 2%, hysterezi RH ± 0,7% a při dlouhodobém driftu menším než 0,25% RH / rok. Rozsah měření teploty je -40 až 125 °C s přesností ± 0,2 °C a dlouhodobým driftem 0,04 °C / rok. Aby byla zachována spolehlivost má HTU31D integrován topný prvek pro eliminaci kondenzace při vysoké vlhkosti, stejně jako interní diagnostiku pro detekci chyb měření a chyb vnitřní paměti.
Ve svém základním režimu měření vlhkosti a teploty má senzor rozlišení 0,020% RH a 0,040 °C s dobami převodu 1 ms a 1,6 ms. Pro náročnější aplikace poskytuje senzor provozní režimy, které umožňují zvýšit rozlišení za cenu prodloužení doby převodu. V režimu maximálního rozlišení může HTU31D poskytnout 0,007% RH s dobou převodu 7,8 ms a 0,012 °C s dobou převodu 12,1 ms.
U bateriových aplikací je stejně důležitou vlastností jako přesnost také nízká spotřeba proudu. HTU31D, které pracuje v režimu základního rozlišení a provádí měření každou sekundu, obvykle spotřebovává pouze 1,04 μA. Během neaktivní doby lze senzor přepnout do režimu spánku, kde jeho spotřeba klesne na 0,13 μA. Krátké použití interního ohřívače k odstranění kondenzace samozřejmě vede ke krátkému, ale významnému zvýšení proudu.
Jednoduché hardwarové a softwarové rozhraní
Digitální snímač vlhkosti a teploty HTU31D obsahuje jednoduché rozhraní pro integraci do finálních návrhů. Spolu s piny pro napájení, které se pohybuje od 3 do 5,5 V (VDD ), a zemnícím pinem GND obsahuje rozhraní také piny pro standardní sériová data (SDA) a sériové hodiny (SCL) I²C. Zbývající dva piny slouží pro reset (RST) a pro adresu (IC_ADD). Pokud je IC_ADD připojen na GND nebo VDD, senzor reaguje na adresu I²C 0x40 respektive 0x41. To umožňuje dvěma senzorům HTU31D sdílet stejnou sběrnici I²C bez konfliktu.
Hostitelský procesor odesílá příkazy a čte výsledky pomocí základních sériových transakcí I²C. Příkazy se skládají z dvoubajtové sekvence obsahující adresu I²C, následovanou příkazovým bajtem. Mezi příkazy patří kombinované měření teploty a vlhkosti, měření pouze vlhkosti, resetování, zapnutí nebo vypnutí integrovaného ohřevu, přečtení sériového čísla senzoru či spuštění interní diagnostiky.
K provedení kombinovaného měření teploty a relativní vlhkosti (T & RH) hostitel pošle bajt adresy a bajt obsahující příslušný bit příkazu a bity specifikující požadované rozlišení. Senzor podporuje jednoduchou metodu dotazování. Příkazový bajtem T & RH pro čtení (0x0) je znázorněn na obrázku 2, horní řádek). HTU31D reaguje přenosem horního a dolního bajtu hodnot pro každé požadované měření teploty a vlhkosti (obrázek 2, dolní dva řádky).
Obrázek 2: Digitální snímač vlhkosti a teploty HTU31D poskytuje rozhraní pro rychlé získávání naměřených hodnot teploty a relativní vlhkosti. (Zdroj obrázku: TE Connectivity Measurement Specialties)
HTU31D přidává kontrolní CRC bajt do každé 16bitové datové sekvence. Tento kontrolní součet CRC-8 umožňuje detekci jednotlivých bitových chyb nebo dvojbitových chyb kdekoli v datovém přenosu nebo detekci shluků bitových chyb v 8bitovém okně. Porovnáním této přenesené hodnoty CRC s hodnotou CRC, která se vypočítá z přijatých dat, může hostitelský procesor rychle identifikovat neúspěšný přenos a provést příslušnou akci, jako je opakování povelu měření, krátké zapnutí integrovaného topného prvku HTU31D, reset nebo upozornění uživatele na možnou poruchu měřicího systému.
Další vlastnost přenosové sekvence umožňuje hostiteli zastavit sekvenci odpovědí před jejím normálním dokončením, když nastane nějaká závažná situace. V normální transakci HTU31D očekává potvrzení (ack) po prvním datovém bajtu a stop sekvenci na samém konci datové sekvence (viz opět obrázek 2). Pomocí odeslání nack místo ack lze zastavit další přenos. Toho se využívá tehdy, když je potřeba naléhavě vyslat nový příkaz, jako je reset zařízení nebo aktivace interního ohřívače.
TE HTU31D nabízí jednoduché elektrické rozhraní, ale použití jakéhokoli vysoce citlivého senzoru vyžaduje pečlivý fyzický design, aby se zabránilo chybám měření vyplývající z elektrické nebo tepelné interakce s jinými součástkami na desce. Vývojová deska a související software od společnosti MikroElektronika umožňuje obejít potenciální problémy s implementací a zahájit okamžitý vývoj.
Rychlý vývoj
Přídavná deska MIKROE-4306 Temp & Hum 14 Click od MikroElektronika poskytuje kompletní rozhraní (obrázek 3, vlevo) na desce o rozměrech 28,6 x 25,4 mm (obrázek 3, vpravo).
Obrázek 3: MIKROE-4306 slouží také jako referenční schéma (vlevo) pro vlastní vývoj. Deska MIKROE-4306 Temp & Hum 14 Click od MikroElektronika (vpravo) slouží pro rychlý vývoj prototypů založených na senzoru HTU31D. (Zdroj obrázku: MikroElektronika)
Stejně jako u jiných přídavných desek mikroBUS Click od společnosti MikroElektronika je deska Temp & Hum 14 Click navržena pro připojení k vývojové desce Fusion, a lze použít softwareový framework mikroSDK. MikroSDK je obohacena o softwarové balíčky, které obsahují ovladače a podporu desek Temp-Hum 14 Click pro rodinu desek Fusion.
Softwarový balíček Temp-Hum 14 Click obsahuje funkce přímo pro HTU31D, které jsou přístupné prostřednictvím aplikačního programovacího rozhraní (API). Doprovodná ukázka demonstruje provoz senzoru HTU31D pomocí jednoduché sady funkcí API, včetně:
- temphum14_set_conversion - provádí výše uvedenou sekvenci převodu
- temphum14_get_temp_and_hum - provádí sekvenci dat pro čtení T & RH senzoru
- temphum14_get_diagnostic - čte chybový stav z diagnostického registru
Ukázkový kód obsahuje inicializaci systému, inicializaci aplikace a provedení úlohy aplikace. Výpis 1 je část kódu ze softwarového balíčku pro vývojovou desku KINETIS v8 MIKROE-3515, který je založen na mikrokontroléru NXP MK64FN1M0VDC12 Arm Cortex®-M4 Kinetis K60.
#include "Click_TempHum14_types.h"
#include "Click_TempHum14_config.h"
#include "Click_TempHum14_other_peripherals.h"
temphum14_diagn_t status_data;
uint32_t ser_numb;
float temperature;
float humidity;
char log_text[ 50 ];
[code deleted]
void system_init ( )
{
mikrobus_gpioInit( _MIKROBUS1, _MIKROBUS_RST_PIN, _GPIO_OUTPUT );
mikrobus_i2cInit( _MIKROBUS1, &TEMPHUM14_I2C_CFG[0] );
mikrobus_logInit( _LOG_USBUART, 9600 );
Delay_ms( 100 );
mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Temp-Hum 14 click ", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
Delay_ms( 100 );
}
void application_init ( )
{
temphum14_i2c_driver_init( (temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_GPIO,
(temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_I2C,
TEMPHUM14_I2C_SLAVE_ADDR_GND );
Delay_ms( 100 );
mikrobus_logWrite( " Hardware Reset ", _LOG_LINE );
temphum14_hw_reset( );
Delay_ms( 100 );
ser_numb = temphum14_get_serial_number( );
LongWordToStr( ser_numb, log_text );
Ltrim( log_text );
mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Serial Number : ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( " Software Reset ", _LOG_LINE );
temphum14_soft_reset( );
Delay_ms( 100 );
temphum14_get_diagnostic( &status_data );
Delay_ms( 10 );
display_diagnostic( );
Delay_ms( 100 );
}
void application_task ( )
{
temphum14_set_conversion( TEMPHUM14_CONVERSION_HUM_OSR_0_020,
TEMPHUM14_CONVERSION_TEMP_0_040 );
Delay_ms( 10 );
temphum14_get_temp_and_hum( &temperature, &humidity );
Delay_ms( 10 );
FloatToStr( temperature, log_text );
mikrobus_logWrite( " Temperature : ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( " C", _LOG_LINE );
FloatToStr( humidity, log_text );
mikrobus_logWrite( " Humidity : ", _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
mikrobus_logWrite( " %", _LOG_LINE );
mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
Delay_ms( 3000 );
}
void main ( )
{
system_init( );
application_init( );
for ( ; ; )
{
application_task( );
}
}
Výpis 1: Část kódu, který demonstruje základní vzory pro inicializaci a získání naměřených hodnot teploty a relativní vlhkosti RH ze senzoru HTU31D. (Zdroj kódu: MikroElektronika)
Hlavní rutina začíná voláním funkce inicializace systému (system_init ()) pro nastavení ovladačů nízké úrovně pro komunikaci se senzorem HTU31D a voláním funkce (application_init ()) dochází k inicializaci základních funkcí dané aplikace. V tomto případě application_init () inicializuje ovladač I²C a zavolá funkci pro diagnostiku (temphum14_get_diagnostic ()) a získá informace o výsledku diagnostiky (display_diagnostic ()).
Po krátké inicializační fázi vstoupí ukázková aplikace do nekonečné smyčky, která volá úlohu aplikace každé tři sekundy. Aplikační úloha provádí čtení hodnot s rozlišením 0,020 % RH a 0,040 °C (To je základní provozní režim HTU31D). V tomto základním režimu potřebuje HTU31D pouze 1 ms pro měření relativní vlhkosti RH a 1,6 ms pro měření teploty. Ukázková aplikace vyplní dobu čekání pomocí 10 ms zpoždění (delay_ms (10)) před voláním funkce API temphum14_get_temp_and_hum () k načtení hodnot teploty a vlhkosti. Knihovna provádí transformaci nezpracovaných hodnot z HTU31D na fyzické hodnoty teploty a vlhkosti (°C a %), lze tyto výsledné hodnoty měření použít přímo bez jakýchkoli úprav.
Pomocí této hardwarové platformy a souvisejícího softwarového prostředí lze rychle vytvořit prototyp založeném na senzor HTU31D a získat tak přesné hodnoty relativní vlhkosti a teploty v různých rozlišeních. Deska Temp & Hum 14 Click slouží jako kompletní referenční design včetně úplných schémat a fyzického designu. Pro vývoj softwaru je tu k dispozici softwarový balíček Temp-Hum 14 click, který slouží jako šablona pro tvorbu komplexních aplikací.
Závěr
Vlhkost a teplota mají zásadní vliv na konstrukci, mechanické i elektrické části zařízení, ale i na lidské zdraví. Vhodná úprava vlhkosti a teploty závisí na přesnosti měření a všudypřítomného měření, které je někdy obtížné dosáhnout kvůli prostoru nebo u bateriových zařízení spotřebou samotného senzoru. Senzor vlhkosti a teploty od společnosti TE Connectivity Measurement Specialties nabízí kombinaci přesnosti, stability, velikosti a snadného použití, a díky tomu je vhodný pro měření ve spotřebitelských, průmyslových i lékařských aplikacích.
Další informace:
- Nízká vlhkost prostředí zhoršuje vrozenou odolnost proti chřipkové infekci
- Vysoká vlhkost vede ke ztrátě infekčního viru chřipky z kašle
- Vliv teploty a vlhkosti na stabilitu SARS-CoV-2 a dalších virů
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk.
