השימוש בחיישני לחות וטמפרטורה זעירים לאסוף ביעילות נתוני סביבה קריטיים
באדיבות ‎DigiKey's North American Editors
2021-04-07
לאור השפעת הטמפרטורה והלחות על התקינות המבנית של מערכות אלקטרוניות ובניינים, היכולת להשיג מדידות מדויקות ואמינות של פרמטרים אלה היא מהותית לתכנים עבור מערך רחב של יישומים לצרכנים, תעשייה ורפואה. השפעות הלחות והטמפרטורה על הבריאות הן מדאיגות במיוחד, כאשר מחקרים מראים כי שונות בפרמטרים אלה משפיעה, החל מאי-נוחות ועד לזיהום דרך נגיפים אירוסוליים.
צורך זה עבור חישת טמפרטורה ולחות במגוון של יישומים הפך לכזה שכדי לענות על הביקוש, המתכננים זקוקים לפתרון עם גורם-צורה קטן ויחס עלות-תועלת מיטבי שהוא גם קל למימוש. עבור משך חיי סוללה ארוכים במיקומים מרוחקים או אחרת קשים לגישה, יתכן והפתרונות יאלצו גם לצרוך מעט מאוד הספק, תוך שמירה על הדיוק והיציבות הנדרשים.
מאמר זה דן בהשפעה של טמפרטורה ולחות הסביבה על תשתיות, מערכות אלקטרוניות ובריאות האדם. לאחר מכן הוא יציג ויראה כיצד ליישם חיישן לחות וטמפרטורה זעיר מבית TE Connectivity Measuring Specialities, אשר המתכננים יכולים להשתמש בו כדי לעמוד ביתר קלות בדרישות עבור מדידות קריטיות במגוון של יישומים.
החשיבות של מדידות לחות וטמפרטורה מדויקות
היכולת לנטר ולכוונן במדויק את רמות הלחות והטמפרטורה ממלאת תפקיד מפתח במגוון רחב של תחומים, כולל מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), ציוד לחץ דרכי אוויר חיובי רצוף (CPAP) עבור דום נשימה בשינה, ואפילו עבור נוחות אנושית בסיסית.
המונח המוכר לחות יחסית (RH) מבטא את תכולת המים באוויר כאחוז מכמות המים המקסימלית שיכול האוויר להחזיק בטמפרטורה נתונה. בדומה לטמפרטורה, רמות לחות גבוהות או נמוכות מדי עלולות להיות לא נוחות לבני אדם ואף לפגוע במבנים כמו גם בציוד מכני ואלקטרוני.
רמות לחות גבוהות במבנים עלולות לגרום לקורוזיה, צמיחת עובש וטחב, ולכשלים בבטון ובחומרים אחרים. בציוד אלקטרוני, רמות לחות גבוהות עלולות לגרום לקצרים בגלל עיבוי, במיוחד כאשר מכניסים ציוד לתוך סביבה לחה מתוך מקום קר יותר.
רמות לחות נמוכות עלולות לגרום להתכווצות חומרים, נזק למוצרי נייר והצטברות חשמל סטטי. עם הצטברות מוגברת, הפריקה האלקטרוסטטית כתוצאה מכך עלולה לגרום נזק להתקנים אלקטרוניים ולהצית שריפות בסביבות עם רמות כבדות של תרכובות אורגניות נדיפות (VOC) נישאות באוויר. כתוצאה מכך, חיישני RH ממלאים תפקיד חשוב עבור סביבה בטוחה ובריאה בבניינים. חששות דומים מתעוררים יותר ויותר בטיפוח בריאות ונוחות האדם.
בני אדם מבחינים לרוב בטמפרטורות לא נוחות יותר מאשר ברמות הלחות, אך ידוע שרמות לחות נמוכות או גבוהות באופן חריג משפיעות על הבריאות. לחות גבוהה או נמוכה עלולה להחמיר את הסימפטומים לאסטמה ולסובלים מאלרגיה, ולגרום לאיכות שינה ירודה יותר גם עבור אנשים שאחרת הם בריאים. ברמות לחות נמוכות ביותר, רקמת האדם מתייבשת וגורמת לגירוי בעין או במעברים באף. יצרני CPAP מסתמכים לרוב על חיישני לחות כדי להבטיח שהציוד שלהם מספק אוויר רטוב במידה ראויה למשתמשים.
הצורך במדידה ובקרה של רמות הלחות ממלא תפקיד רחב יותר בבריאות הציבור. חוקרים מצאו שרמות הלחות אינן צריכות להגיע לקצוות של יובש או רטיבות כדי למלא תפקיד בפיזיולוגיה האנושית. באופן רגיל, לחות במעברי האף מסייעת בסילוק נגיפים אירוסוליים (נגיפים המרחפים בתוך טיפות מיקרוסקופיות). כאשר מעברי האף יבשים, פתוגנים אירוסוליים יכולים לחדור עמוק יותר למערכת הנשימה ולגרום בקלות רבה יותר לזיהום [1]. בשל גורמים פיזיולוגיים אלו ואחרים, כושר ההדבקה של נגיף השפעת האירוסולי גבוה משמעותית ברמות לחות מתחת ל- 40% לחות יחסית (RH) (איור 1) [2]. מחקרים עדכניים יותר מצביעים על כך ש- RH בין 40% ל- 60% ממלא תפקיד גם בהפחתת הדבקת COVID-19, ואף לדגרדציה של נגיף SARS-CoV-2 הגורם ל- COVID-19 [3].
איור 1: מחקר המראה את היחס בין רמות RH נמוכות לבין כושר הדבקה מוגבר של נגיפים אירוסוליים, הממשיך לדחוף ביקוש גובר עבור פיתרונות מדידה מדויקים יותר. (מקור התמונה: TE Connectivity Measurement Specialties)
למרות שמדידה מדויקת של לחות וטמפרטורה היא קריטית בכל כך הרבה יישומים שונים, היכולת של מפתחים לבנות בקלות פתרונות יעילים לדרישות התכנון המתאימות היא מוגבלת. מלבד הצורך ברמת דיוק גבוהה עם סחיפה נמוכה ביותר לטווח-ארוך, יישומים רבים דורשים חיישנים המציעים מדידה מהירה ופעולה בהספק נמוך עם חתימת-שטח מינימלית, המאפשרים מיקום חיישנים קל יותר בנקודת המדידה האידיאלית בין אם זה נמצא בווסת לחות HVAC, יחידת בקרת לחות CPAP, או מערכת ניטור סביבה מדויקת. חיישן הלחות וטמפרטורה הדיגיטלי HTU31D מבית TE Connectivity עונה על הדרישות עבור רשימה הולכת וגדלה של יישומים התלויים בנתונים מדויקים.
פתרון עבור דרישות מדידות קריטיות
עם חתימת-שטח קטנה ודיוק גבוה, ה- HTU31D ממוטב עבור יישומים החל ממוצרים לצרכנים ועד מערכות ניטור רפואיות ומקצועיות. הוא מגיע במארז 6 פינים בממדים של x 2.5 x 0.9 2.5 מילימטרים (מ"מ), הוא מכויל במלואו ואינו דורש כיול נוסף בשטח. הודות לחתימת-השטח הקטנה שלו, המפתחים יכולים למקם את החיישן במקומות שהם קטנים מדי עבור פתרונות חישה קודמים, ולחבר HTU31D מרחוק דרך הממשק הטורי I²C שלו לבקר המארח שלו באמצעות חוצצי I²C או מסיטי רמה הזמינים מיידית.
ה- HTU31D מודד לחות יחסית בין 0 ל- 100% בדיוק טיפוסי של 2%±, היסטרזיס לחות יחסית (RH) של %0.7± וסחיפה לטווח-ארוך טיפוסית של פחות מ- 0.25% RH/year. תחום מדידות הטמפרטורה של ההתקן הוא 40°C- עד 125°C+ עם דיוק טיפוסי של C°0.2± וסחיפה לטווח-ארוך טיפוסית של C/year°0.04. כדי לסייע בשמירה על אמינותו, החיישן משלב גוף חימום לסילוק העיבוי ברמות לחות גבוהות, כמו גם דיאגנוסטיקה פנימית לגילוי שגיאות מדידה, שגיאות בגוף החימום ושגיאות בזיכרון הפנימי.
באופן הבסיס שלו למדידת לחות וטמפרטורה, לחיישן יש רזולוציה של 0.020% לחות יחסית (RH) ו- C°0.040, עם זמני המרה של 1 מילי-שנייה (ms) ו- ms 1.6, בהתאמה. עבור דרישות תובעניות יותר, ההתקן מספק אופני פעולה המאפשרים למפתחים להגדיל את הרזולוציה במחיר של זמן המרה מוארך. באופן הרזולוציה המקסימלית עבור כל חיישן, ה- HTU31D יכול לספק 0.007% לחות יחסית (RH) עם זמן המרה של ms 7.8 ו- C°0.012 עם זמן המרה של ms 12.1.
עבור יישומים מסוימים כגון מוצרים מוזני-סוללות, צריכת הזרם הנמוכה של ההתקן היא מאפיין חשוב לא פחות. כאשר הוא פועל באופן הרזולוציה הבסיסית שלו ומבצע מדידה אחת של לחות יחסית וטמפרטורה בשנייה, ההתקן דורש 1.04 מיקרו-אמפר (μA) טיפוסי בלבד. במהלך פרקי-זמן שבו הוא אינו פעיל, ניתן להעביר את ההתקן לאופן שינה שבו הוא צורך μA 0.13 טיפוסי. כמובן ששימוש קצר בתנור הפנימי להסרת עיבוי או לבדיקת פעולת חיישן הטמפרטורה גורם לעלייה קצרה באותה מידה אך משמעותית בזרם.
ממשקי חומרה ותוכנה פשוטים
חיישן הלחות וטמפרטורה הדיגיטלי HTU31D מספק ממשקים פשוטים עבור שילוב חומרה ותוכנה בתכנים של מפתחים. לצד פינים של מתח הספקה של 3 עד 5.5 וולט (DDV) והארקה (GND), ממשק החומרה של ההתקן כולל פינים עבור קווי Serial Data (SDA) ו- Serial Clock (SCL) סטנדרטיים I²C. שני הפינים הנותרים כוללים פין איפוס (RST) ופין כתובת (IC_ADD). כאשר IC_ADD קשור ל- GND או DDV, ההתקן מגיב לכתובות I²C 0x40 או 0x41, בהתאמה, ומאפשר לשני התקני HTU31D לשתף את אותו אפיק I²C ללא קונפליקטים.
המעבד המארח שולח פקודות וקורא תוצאות בעזרת טרנסקציות טוריות בסיסיות של I²C. הפקודות משתמשות ברצף של שני בייטים המורכב מכתובת I²C, ואחריו בייט פקודה עם ביטים אינדיבידואליים המוגדרים כדי לציין פונקציות נתמכות, כולל מדידת טמפרטורה ולחות משולבת, מדידת לחות בלבד, איפוס, תנור או כיבוי, מספר סידורי של המכשיר ודיאגנוסטיקה.
לצורך ביצוע מדידה משולבת של טמפרטורה ולחות יחסית (T & RH), לדוגמה, המארח ישלח את בייט הכתובת ובייט המכיל את ביט פקודת ההמרה וביטים המגדירים את הרזולוציה הרצויה עבור מדידות הטמפרטורה והלחות היחסית. ההתקן תומך בשיטת תשאול (Polling) פשוטה, ולכן לאחר העברת רצף פקודות ההמרה של שני בייטים, המעבד המארח ימתין למשך זמן תלוי-רזולוציה המצוין בגיליון הנתונים לפני הנפקת רצף של שני בייטים עם בייט הכתובת (0x40 או 0x41), ולאחריו בייט פקודת הקריאה עבור T & RH (0x0) (איור 2, השורה העליונה). ה- HTU31D יגיב על ידי העברת הבייטים העליונים והתחתונים של הערכים הגולמיים עבור כל מדידת טמפרטורה ולחות נדרשת (איור 2, שתי השורות התחתונות). הערכים הגולמיים מומרים לערכי הטמפרטורה והלחות הפיזיקליים המתאימים באמצעות זוג משוואות המסופקות בגיליון הנתונים של ה- HTU31D.
איור 2: חיישן הלחות וטמפרטורה הדיגיטלי HTU31D מספק ממשקים פשוטים עבור השגה מהירה של מדידות טמפרטורה ולחות יחסית. (מקור התמונה: TE Connectivity Measurement Specialties)
כמוצג באיור 2, ה- HTU31D עוקב אחר כל רצף נתונים Bit-16 עם בייט המכילים את ערך בדיקת יתירות מחזורית (CRC) של הנתונים שנוצרו על ידי ההתקן. בדיקת CRC-8 זו מאפשרת זיהוי של שגיאות ביטים בודדים או שגיאות ביטים כפולים בכל מקום בשידור הנתונים, או אשכולות של שגיאות ביטים בתוך חלון של 8 ביטים. על ידי השוואת ערך CRC זה שהועבר לערך ה- CRC שהוא מחשב מהנתונים שהתקבלו, המעבד המארח יכול לזהות במהירות שידור פגום ולנקוט בפעולות מתאימות כגון חזרה על פקודת המדידה, הפעלה קצרה של אלמנט החימום המשולב של ה- HTU31D, שליחת פקודת איפוס, או התרעה למשתמש על תקלה אפשרית במערכת המדידה.
מאפיין נוסף של רצף השידור מאפשר למארח לעצור את רצף התגובה לפני השלמתו הרגילה כאשר מתרחש צורך מכריע כלשהו. בטרנסקציה רגילה, ה- HTU31D מצפה לאישור (ack) לאחר בייט הנתונים הראשון עם אי-אישור סופי (nack) ועצירת הרצף בסוף כל רצף הנתונים (ראו שוב איור 2). המפתחים יכולים להשתמש במאפיין זה כדי לעצור שידור נוסף כאשר לא נדרשים נתוני CRC או נתוני לחות, או כשנדרשת בדחיפות פקודה חדשה כגון איפוס ההתקן או הפעלת אלמנט החימום. כאן, במקום לשלוח את ה- ack הצפוי לאחר הנתונים או ה- CRC, המארח יכול לשלוח את רצף ה- nack/עצירה הסופי כדי להפסיק באופן מיידי את שידור הנתונים מהחיישן.
ה- HTU31D מבית TE מציע ממשק חשמלי ופונקציונלי פשוט, אך שימוש בכל חיישן רגיש ביותר מצריך תכנון פיזי זהיר כדי למנוע ארטיפקטים במדידה הנובעים מאינטראקציה חשמלית או תרמית עם התקנים אחרים על הלוח. בדומה, שגיאות במימוש פרוטוקול רצף הפקודות או משוואות המרת הערכים יכולות לעכב את ההערכה ובניית האב-טיפוס של מאפייני חישת לחות וטמפרטורה במוצר מתפתח. לוח הוספה ותוכנה נלווית מבית MikroElektronika מאפשרים למפתחים לעקוף את בעיות המימוש האפשריות ולהתחיל בתכנון ופיתוח מיידית.
בנייה מהירה של אב-טיפוס ופיתוח מואץ
לוח ההוספה Temp & Hum 14 Click מבוסס-HTU31 MIKROE-4306 מבית MikroElektronika מספק מימוש שלם של הממשק החשמלי של החיישן (איור 3, משמאל), המורכב על לוח שממדיו הם 25.4 x 28.6 מ"מ (איור 3, מימין).
איור 3: בנוסף לשימוש כסכמת תכן ייחוס (משמאל) עבור פיתוח מותאם-במיוחד, לוח Temp & Hum 14 Click מבית MikroElektronika (מימין) מציע פלטפורמה עבור הערכה מיידית ובנייה מהירה של אב-טיפוס של פתרונות מדידה המבוססים על חיישן HTU31D. (מקור התמונה: MikroElektronika)
כמו עם לוחות הוספה mikroBUS Click אחרים מבית MikroElektronika וספקים אחרים, לוח ה- MikroElektronika Temp & Hum 14 Click מתוכנן עבור חיבור ללוח מעבד מארח כגון לוח הפיתוח Fusion מבית MikroElektronika, ומשמש עם מסגרת-העבודה לפיתוח תוכנה בקוד פתוח mikroSDK מבית MikroElektronika.
חברת MikroElektronika משלימה את סביבת mikroSDK עם חבילות תוכנה המספקות מנהלי התקנים ותמיכה בלוחות עבור לוחות Click ולוחות פיתוח ספציפיים. עבור לוח Temp & Hum 14 Click, חברת MikroElektronika מספקת חיבורים של חבילת התוכנה Temp-Hum 14 Click שלה עבור משפחת Fusion ומשפחות לוחות אחרות מבית MikroElektronika.
חבילת התוכנה Temp-Hum 14 Click תומכת בפיתוח באמצעות ספריית פונקציות ספציפיות-ל- HTU31D הנגישה דרך ממשק תכנות יישומים (API). יישום לדוגמא נלווה מדגים את פעולת חיישן HTU31D באמצעות מערך פשוט של פונקציות API הכוללות:
- temphum14_set_conversion, המבצע את רצף ההמרות שהוזכר קודם לכן
- temphum14_get_temp_and_hum, המבצע את רצף נתוני T & RH של החיישן
- temphum14_get_diagnostic, הקורא את סטטוס השגיאה מתוך רגיסטר הדיאגנוסטיקה על-השבב של ה- HTU31D
קוד היישום לדוגמה מדגים את אתחול המערכת, אתחול היישום וביצוע משימת היישום. רשימת קוד 1 מציגה Snippet מתוך חבילת התוכנה המיועדת לפעולה על MikroElektronika Fusion עבור לוח הפיתוח MIKROE-3515 KINETIS v8 המבוסס על המיקרו-בקר Cortex®-M4 Kinetis K60 ®Arm MK64FN1M0VDC12 מבית NXP.
העתק
#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( );
}
}
רשימת קוד 1: Snippet זה מתוך היישום לדוגמה מבית MikroElektronika מדגים את דפוסי התכן הבסיסיים עבור אתחול וביצוע משימה פשוטה להשגת מדידות טמפרטורה ולחות יחסית מתוך חיישן HTU31D. (מקור הקוד: MikroElektronika)
היישום לדוגמה הכלול בחבילת התוכנה מדגים את דפוסי התכן הבסיסיים עבור מימוש יישום תוכנה באמצעות חיישן HTU31D מבית TE. כמתואר ברשימת קוד 1, הרוטינה העיקרית מתחילה בקריאה לפונקציה של אתחול מערכת (system_init ()) להגדרת מנהלי התקנים ברמה-הנמוכה כולל חיישן HTU31D וקריאה לפונקציה (application_init ()) לאתחול משאבי היישום. במקרה זה, application_init () מאתחל את מנהל ההתקן I²C של המערכת עם מופע של אובייקט חיישן לפני ביצוע איפוס חיישן וקריאת פונקציה (temphum14_get_diagnostic ()) כדי לשלוף את נתוני הדיאגנוסטיקה של החיישן ולהציג את פרטי הדיאגנוסטיקה (display_diagnostic ()).
לאחר שלב האתחול הקצר, היישום לדוגמה נכנס לחוג אינסופי הקורא למשימת יישום כל שלוש שניות. בקוד לדוגמה המוצג ברשימת קוד 1, משימת היישום דורשת המרה ברזולוציה של 0.020% לחות יחסית ו- C°0.040, שהם פרמטרי אופן הפעולה הבסיסי של ה- HTU31D כפי שצוין קודם לכן. באופן בסיסי זה, ה- HTU31D זקוק ל- ms 1 בלבד למדידת הלחות היחסית ו- ms 1.6 בלבד למדידת הטמפרטורה. היישום לדוגמה מרפד את משך ההמתנה, באמצעות שיהוי של ms 10 (delay_ms(10)) לפני שהוא קורא לפונקציית API ()temphum14_get_temp_and_hum כדי לשלוף את ערכי הטמפרטורה והלחות. מכיוון שהספרייה מבצעת את הטרנספורמציה הדרושה להמרת הערכים הגולמיים מתוך ה- HTU31D לערכי מדידות הטמפרטורה והלחות הפיזיקליים, ניתן להשתמש ישירות בערכי המדידה המתקבלים - פשוט לבצע רישום של התוצאות במקרה זה.
באמצעות פלטפורמת חומרה זו ובסביבת תוכנה משויכת, המפתחים יכולים להעריך במהירות ולבנות אב-טיפוס של יישומי חיישני HTU31D כדי לקבל מדידות לחות יחסית וטמפרטורה מדויקות במגוון של רזולוציות. עבור פיתוח חומרה מותאמת-במיוחד, לוח Temp & Hum 14 Click מבית MikroElektronika משמש כתכן ייחוס שלם כולל סכימות מלאות ותכן פיזי. עבור פיתוח תוכנה מותאמת-במיוחד, חבילת התוכנה Temp-Hum 14 Click מספקת תבנית בסיסית עבור בניית יישומים מקיפים יותר.
סיכום
לחות וטמפרטורה ממלאים תפקיד קריטי בתקינות מבנים וציוד, כמו גם בבריאות ובנוחות האדם. עם זאת, ניהול מתאים של לחות וטמפרטורה תלוי בשילוב של דיוק והיקף רחב של מדידות אשר קשה להשיגם בגלל מגבלות בפתרונות חיישנים קונבנציונליים.
חיישן לחות וטמפרטורה מבית TE Connectivity Measuring Specialties מציע שילוב ייחודי של דיוק, יציבות, גודל וקלות שימוש הדרושים לעמידה בדרישות המדידות המתעוררות ביישומים לצרכנים, תעשייה ורפואה.
מקורות

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.