1. Датчики вологості HDC
2. Вимірювання вологості
3. Формування потоку повітря
4. Обмеження саморазогрева в датчиках вологості HDC
5. Конструктивні особливості розміщення датчиків вологості
6. Особливості проектування друкованих плат при роботі з датчиками HDC
7. Засоби розробки і налагодження
8. Висновок
9. література
10. Про компанію Texas Instruments

Компанія Texas Instruments випускає датчики вологості HDC, що дозволяють виконувати вимірювання з похибкою ± 2% в широкому діапазоні температур. Однак для отримання точних і актуальних результатів необхідно враховувати цілий ряд конструктивних і схемотехнічних особливостей. Основні рекомендації щодо застосування, пропонує компанія Texas Instruments в документі «SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors ».

Підтримання необхідного рівня вологості повітря є важливим завданням в самих різних областях. Це призводить до широкого поширення датчиків вологості:

• в побутових додатках (настільних метеостанціях, кондиціонерах і так далі);
• в фармакології при виробництві та зберіганні сировини і готових ліків (системи кондиціонування, холодильники);
• в харчовій промисловості при виробництві, транспортуванні та зберіганні харчових продуктів (системи кондиціонування, холодильники, мобільні холодильні установки для перевезення продуктів);
• в промисловості, зокрема - для підтримки оптимальних умов при складанні та тестуванні електронних пристроїв або для правильного зберігання сировини при виробництві електронних компонентів (резисторів, конденсаторів та іншого);
• в системах автоматизації будівель;
• в системах сигналізації (в датчиках газу, детекторах диму і інше);
• в портативній електроніці;

Сучасні датчики вологості повинні забезпечувати високу точність вимірювань і мінімальне споживання, а також відрізнятися компактними габаритними розмірами. Разом з тим для досягнення мінімальної похибки необхідно враховувати безліч схемотехнічних і конструктивних особливостей. Компанія Texas Instruments не тільки випускає лінійку датчиків вологості HDC, що дозволяють виконувати вимірювання з похибкою ± 2% в широкому діапазоні температур, а й пропонує конкретні рекомендації щодо досягнення зазначеної точності.

Датчики вологості HDC

На даний момент лінійка датчиків вологості HDC від Texas Instruments включає три позиції (малюнок 1, таблиця 1). Це мініатюрні сенсори з мінімальним споживанням і максимально простою схемою включення.

Мал. 1. Датчики вологості Texas Instruments

Таблиця 1. Характеристики датчиків вологості від Texas Instruments

Точність вимірювання відносної вологості (тип.),% RH ± 2 ± 2 ± 2 Діапазон вимірювання відносної вологості (тип.),% RH 0 ... 100 0 ... 100 0 ... 100 Точність вимірювання температури (тип.), ° C ± 0, 2 ± 0,2 ± 0,2 Діапазон живлячих напруг, В 1,62 ... 3,6 2,7 ... 5,5 2,7 ... 5,5 Середній струм споживання (тип.), мкА 0,55 (1 виб / с) 1,2 (1 виб / с) 1,2 (1 виб / с) Комунікаційний інтерфейс I²C I²C I²C Діапазон робочих температур, ° C -40 ... 125 -40 ... 125 -40 ... 125 Корпус / габарити, мм 6DSBGA / 1,5 × 1,5 8DSBGA / 2,04 × 1,59 6WSON / 3,00 × 3,00

HDC1080 - інтегральний датчик вологості з вбудованим вимірником температури і нагрівальним елементом. Завдяки заводський калібрування HDC1080 похибкою ± 2% і діапазон робочих температур -40 ... 125 ° С. Вимірювання вологості може виконуватися з дозволом 8/11/14 біт, а температури - з дозволом 11 або 14 біт.

HDC1080 є найбільшим датчиком вологості виробництва Texas Instruments і випускається в 6-вивідному корпусі 6WSON розмірами 3х3 мм. Чутливий елемент в HDC1080 розташовується у верхній частині корпусу.

Для взаємодії з керуючим контролером використовується інтерфейс I²C. При цьому HDC1080 відрізняється максимально простий чьотирьох схемою включення: два ланцюги харчування (VDD і GND) і дві лінії зв'язку I²C (SCK і SDA).

Для мінімізації споживання в HDC1080 реалізовано два робочих режиму: режим вимірювань (measurement mode) і режим сну (sleep mode). При включенні живлення автоматично активується режим сну до типового споживанням 100 нА. Після настройки по I²C запускається режим вимірювань із середнім струмом споживання близько 1,2 мкА (11-бітові вимірювання вологості і температури з частотою 1 вимір в секунду).

Додатковий нагрівальний елемент використовується для розігріву сенсора і видалення конденсату. Правда, розплатою за це стає підвищення споживання до 7,2 мА.

Діапазон напруг живлення для HDC1080 становить 2,7 ... 5,5 В.

HDC1010 - датчик вологості, який відрізняється від HDC1080 зменшеними габаритними розмірами, розширеним функціоналом і підвищеною стійкістю до пилу і бруду.

HDC1010 випускається в 8-вивідному корпусі 8DSBGA розміром 2,04 × 1,59 мм. Чутливий елемент в HDC1010 розташовується в нижній частині корпусу, що, за задумом проектувальників, має збільшити стійкість до поверхневого забруднення.

Функціонал датчика був розширений за рахунок додавання висновків адреси (ADR0 і ADR1) і виведення переривання DRDYn. Завдяки адресним входам ADR0 і ADR1 до однієї шині I²C можна одночасно підключити кілька сенсорів HDC1010. Сигнал DRDYn повідомляє про закінчення циклу вимірювань і може бути використаний для пробудження керуючого контролера, що знаходиться в режимі очікування, що дозволяє значно скоротити споживання всієї системи в цілому.

HDC2010 - найновіший і найбільш просунутий датчик вологості виробництва Texas Instruments. Від попередників він відрізняється ще більш компактними розмірами, зменшеним споживанням і зниженим діапазоном живлячих напруг.

HDC2010 випускається в 6-вивідному корпусі 6DSBGA розміром 1,5х1,5 мм, що рівно в два рази менше, ніж, наприклад, у HDC1080.

Рівень споживання в HDC2010 скорочено вдвічі: в режимі вимірювань - до 0,55 мкА (11-бітові вимірювання вологості і температури з частотою один вимір в секунду), а в режимі сну - до 50 нА. Однією з причин такого значного підвищення ефективності стало зниження нижньої межі діапазону живлячих напруг майже в два рази - до 1,62 В.

Схема включення HDC2010 аналогічна схемі включення HDC1010, однак замість пари входів адреси ADR0 і ADR1 використовується один вхід ADR (малюнок 2).

Мал. 2. Структура і схема підключення датчика вологості HDC2010

Похибка вимірювання вологості для всіх представлених датчиків однакова і становить ± 2%, а похибка вимірювання температури - ± 0,2 ° С. Однак, щоб досягти такої точності, необхідно на етапі проектування враховувати цілий ряд конструктивних і схемотехнічних особливостей. Рекомендації, запропоновані Texas Instruments, представлені в документі "SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors ". Розглянемо їх докладніше.

Вимірювання вологості

Як і більшість датчиків вологості, сенсори Texas Instruments вимірюють відносну вологість RH%, що дорівнює відношенню парціальних тисків (формула 1):

$$ RH \% = \ frac {P_ {s} (Td)} {P_ {s} (T)}, \ qquad {\ mathrm {(}} {1} {\ mathrm {)}} $$

де Ps (T) - парціальний тиск насиченої пари при заданій температурі, Ps (Td) - парціальний тиск насиченої пари при температурі точки роси.

Очевидно, що умова проведення точних вимірювань - знаходження датчика в тих же умовах, що і вимірюваний об'єкт (в даному випадку - повітря). На жаль, це не завжди можливо через температурних похибок і тимчасових затримок, що виникають з цілого ряду причин:

• через наявність «повітряних мішків» в конструкції приладу;
• через саморазогрева;
• через вплив інших джерел тепла.

Розглянемо кожен джерело похибки і методи боротьби з ними окремо.

Формування потоку повітря

Датчик вимірює рівень вологості навколишнього повітря. Очевидно, що якщо сенсор розміщений в «повітряному мішку», в якому відсутня циркуляція, то отримані результати виявляться неактуальними, так як насправді будуть вимірюватися параметри «повітряного кишені». В ідеалі необхідно, щоб датчик знаходився в продувається місці.

За допомогою спеціальних щілин і каналів циркуляцію повітря можна організувати, навіть якщо датчик розміщений в закритому корпусі (рисунок 3), [1]. В ідеальному випадку це - прямий канал і пара отворів. Навіть при наявності єдиного вентиляційного отвору можна домогтися поновлення повітря, хоча і зі значною затримкою.

Мал. 3. Формування потоку повітря в закритих корпусах [1]

Варто відзначити, що виробник не рекомендує розміщувати датчик навпаки вентиляційних отворів і щілин. Це пов'язано з тим, що при тривалому впливі УФ-променів, світла видимого спектру або хімічних реагентів точність вимірювань може знизитися. Крім того, як уже говорилося вище, в датчиках HDC1080 чутливий елемент розташовується у верхній частині корпусу. З цієї причини слід враховувати, що HDC1080 виявляються найбільш чутливими до падаючому світлу, пилу і забруднення.

Обмеження саморазогрева в датчиках вологості HDC

Для виконання точних вимірювань слід взяти до уваги ефект саморазогрева. Дійсно, робота мікросхеми неминуче пов'язана з втратами потужності. Частина цієї потужності йде на розігрів кристала самого датчика. Це призводить до спотворення результатів вимірювань.

Для мінімізації впливу саморазогрева необхідно зменшувати споживання. Цього можна домогтися декількома способами:

• за рахунок зниження частоти опитування;
• за допомогою зменшення розрядності вимірювань;
• за рахунок зменшення напруги живлення.

Як зазначалося вище, для мінімізації споживання в датчиках HDC виробництва Texas Instruments реалізовано два режими роботи: режиму вимірювань (measurement mode) і режиму сну (sleep mode). Споживання в режимі сну мінімально: 100 нА у HDC1080 і HDC1010, 50 нА у HDC2010. В такому стані саморозігрів мінімальний. Зате в режимі вимірювань струм зростає на порядок. Зокрема, середній струм для HDC1080 становить 1,2 мкА при частоті 1 вимір в секунду, а для HDC2010 середній типовий струм дорівнює 0,55 мкА. Очевидно, що і саморозігрів в режимі вимірювань буде вище на порядок.

В даному випадку використовується середнє значення струму, щоб підкреслити, що датчик працює в імпульсному режимі: більшу частину часу він знаходиться в сплячому стані, періодично прокидаючись для виконання вимірювань. Чим рідше датчик прокидається, тим менше середній струм, і тим менше саморозігрів. У керівництві по застосуванню Texas Instruments рекомендує не робити більше двох вимірів в секунду (один вимір вологості і один вимір температури) при отриманні результату з великою роздільною здатністю.

Розрядність вимірювань також має значення. Зменшення дозволу призводить до скорочення часу вимірювання, а значить, і середній струм також буде знижуватися.

Зменшення напруги харчування - універсальний спосіб зниження рівня споживання для всіх типів мікросхем. Датчики HDC - не виняток. HDC1080 і HDC1010 можуть працювати з мінімальним напругою живлення 2,7 В. У HDC2010 мінімальна напруга становить 1,65 В.

Крім саморазогрева, необхідно враховувати і вплив інших джерел тепла.

Конструктивні особливості розміщення датчиків вологості

Робота всіх без винятку електронних компонентів пов'язана з втратами потужності і розігрівом. Частина цієї потужності випускається у вигляді теплового випромінювання, частина відводиться за рахунок конвекції, а частина - за рахунок теплопровідності навколишніх об'єктів. Саме теплопровідність і є основним фактором, який може вплинути на точність вимірювання при використанні датчиків HDC.

Розрахунок теплової моделі виявляється досить складним, так як вимагає аналізу теплопровідності провідників, друкованої плати, повітря, припою, паяльної маски, захисного лаку, топології провідників і так далі. Тому в керівництві по застосуванню Texas Instruments рекомендує просто-напросто мінімізувати вплив основних джерел тепла, розташованих поруч з датчиками вологості.

Основний внесок в перенесення тепла вносять мідні провідники і полігони проводить малюнка на друкованій платі. Далі слід враховувати теплопровідність склотекстоліти і повітря (таблиця 2). Звичайно, в конструкції приладу можуть використовуватися теплостокі або плати на алюмінії, але це, скоріше, виключення.

Таблиця 2. Теплопровідність популярних матеріалів, використовуваних в електроніці

Повітря 0,0275 Паяльная маска 0,245 Склотекстоліт FR4 0,25 ПОС61 5,4 Кремній 150 Алюміній 202 ... 236 Золото 314 Мідь 385 Срібло 406 Карбід кремнію 490

Для мінімізації впливу джерел тепла необхідно виконати теплову ізоляцію датчика вологості. Це можна зробити за допомогою декількох прийомів.

Обмеження полігону землі. Так як основний внесок в теплопровідність вносить мідь, то необхідно виконувати полігон землі таким чином, щоб він не захоплював датчик вологості (рисунок 4). У такому випадку передача тепла буде йти переважно через текстоліт, теплопровідність якого на три порядки нижче.

Мал. 4. Полігон землі не поширюється на датчик вологості [1]

Видалення датчика від джерел тепла.

Датчик вологості слід максимально віддалити від джерел тепла. В ідеалі його найкраще розмістити в кутку друкованої плати (малюнок 5). При цьому він з двох сторін буде оточений друкованою платою, а з двох інших сторін - повітрям, теплопровідність якого ще менше.

Мал. 5. Розташування датчика вологості в кутку друкованої плати [1]

Щоб мінімізувати передачу тепла, можна виконати вирізи в друкованій платі (рисунок 6). Через малу теплопровідності повітря це забезпечить вельми гідну теплову ізоляцію.

Мал. 6. Формування вирізів на друкованій платі для ізолювання датчика вологості [1]

Даний спосіб є аналогом попереднього способу, з тією різницею, що використовуються не вирізи, а отвори (рисунок 7). При цьому сам датчик може бути винесено в кут друкованої плати або розміщений на спеціальному виступі. Подібний метод використовувався на отладочном модулі TMP116 Evaluation module виробництва Texas Instruments.

Мал. 7. Перфорація на друкованій платі для ізолювання датчика вологості [1]

Якщо на платі знаходяться потужні джерела тепла, то варто задуматися про винесення датчика на окрему друковану плату. При цьому можна використовувати крайові роз'єми (рисунок 8).

Мал. 8. Датчик вологості винесено на окрему друковану плату [1]

Друкована плата є не тільки провідником, але і накопичувачем тепла. Дійсно, нагрівання та охолодження друкованої плати займає досить багато часу. Цей інерційний процес призводить до того, що датчик вимірює температуру з величезним запізненням. Щоб мінімізувати такий ефект, необхідно знижувати теплоємність друкованої плати.

Це можна зробити за рахунок використання мінімальної товщини плати, наприклад 0,8 мм або менше. Ще одні спосіб полягає в застосуванні гнучких друкованих плат з мінімально можливою площею (малюнок 9).

Мал. 9. Датчик вологості може бути винесено на окрему гнучку друковану плату [1]

Крім розташування датчика на друкованій платі Texas Instruments рекомендує враховувати і деякі інші особливості.

Особливості проектування друкованих плат при роботі з датчиками HDC

На додаток до загальних правил, розглянутих вище, компанія Texas Instruments пропонує і ще кілька рекомендацій:

• для мінімізації теплової провідності і теплової ємності при використанні датчиків з корпусом WSON (HDC1080) висновок DAP необхідно розпаювати на контактну майданчик, не підключену до земляного полігону. Ця контактна площадка також не повинна містити перехідних отворів;
• місце, виділене під датчик вологості, має мати заборона для трасування. Вкрай не рекомендується розміщувати тут провідники і перехідні отвори. Не варто також розташовувати компоненти на нижньому боці друкованої плати;
• при створенні бібліотечного компонента посадкового місця для датчиків вологості рекомендується використовувати тип контактних майданчиків без перекриття паяльною маскою NSMD (non-solder-maskdefined);
• вкрай не рекомендується розташовувати масивні об'єкти (екрани, кнопки, гвинти і так далі) ближче, ніж 5 мм від датчика;
• для ідеального вирівнювання датчика слід використовувати симетричний проводить малюнок, тобто, в разі необхідності виводити провідники навіть від невикористовуваних контактних майданчиків;
• так як споживання датчиків вологості HDC досить мало, то для зменшення теплопровідності слід використовувати провідники харчування (VDD і GND) мінімальної ширини;
• Texas Instruments рекомендує використовувати традиційний багатошаровий керамічний розв'язує конденсатор 0,1 мкФ X7R.

Ми розглянули найбільш загальні рекомендації з розробки друкованих плат з датчиками вологості. Крім того, в керівництві по застосуванню Texas Instruments призводить більш повний аналіз теплопровідності і теплоємності системи [1].

Як видно із запропонованих рекомендацій, побудова якісного приладу вимагає досить скрупульозної проробки. Для скорочення часу на освоєння датчиків вологості HDC виробництва Texas Instruments можна скористатися готовим налагоджувальний набором HDC2010EVM і супутнім програмним забезпеченням.

Засоби розробки і налагодження

HDC2010EVM - оцінний набір на базі датчика вологості HDC2010, що працює під управлінням мікроконтролера MSP430F5528 (Рисунок 10). Взаємодія з ПК здійснюється за допомогою USB і прикладного безкоштовного програмного забезпечення.

Мал. 10. Зовнішній вигляд отладочной плати HDC2010EVM

Отладочная плата має перфорацію і містить п'ять висновків для установки штирьового роз'єму. У разі необхідності її можна розламати і окремо підключити датчик HDC2010 до власного пристрою.

Налагоджувальне ПО є безкоштовним і може бути завантажений з офіційного сайту TI: http://www.ti.com/lit/zip/snoc028 . Програма дозволяє працювати з регістрами датчика в реальному часі, проводити і накопичувати результати вимірювань вологості і температури, будувати графіки (малюнок 11).

Мал. 11. Побудова графіків температури і вологості за допомогою налагоджувального ПО

Висновок

Компактні і малопотребляющіе датчики вологості і температури серії HDC виробництва компанії Texas Instruments дозволяють виконувати вимірювання відносної вологості з похибкою ± 2% і температури - з точністю ± 0,2 ° С.

Для досягнення такої високої точності необхідно дотримуватись рекомендацій, викладених в керівництві по застосуванню «SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors ». У цьому документі розглядаються основні фактори, що впливають на точність вимірювань: наявність «повітряних кишень», висока теплопровідність при наявності джерел тепла, висока теплова ємність друкованої плати і системи в цілому, саморозігрів датчиків.

література

1. Ben Kasemsadeh, Carmine Iascone: Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors. Application Report. TI 2017;
2. http://www.ti.com.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі