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【应用】TE温湿度传感器HTU20D成功用于智能开关面板上设计方案,实现室内温湿度的监控及家电联动

2019-01-08 世强

智能开关是指利用控制板和电源板的组合,以实现电路智能开关控制的单元。可实现本地及远程控制,由于这种控制方式简单且易于实现,因此越来越广泛的被许多家庭采用。


智能开关面板集成了485通信和zigbee通信模块,通过家庭网关,可以实现本地及远程控制,并可以控制家庭场景中的空调新风等家电,实现联动。笔者设计的这款智能墙壁开关采用TE Connectivity公司推出的温湿度传感器HTU20D,实现室内温湿度的监控及家电联动。


由于许多传统空调上并没有同时集成温度传感器和湿度传感器,无法实时的根据环境温湿度进行智能调节。笔者设计的这款智能开关面板,采用TE Connectivity公司推出的温湿度传感器HTU20D,实时采集家庭环境温度,用户可以通过面板设置智能场景,当温度过低(高)时,通过家庭网络控制空调进行加热(制冷),当湿度过高(低)时,通过家庭网络控制新风系统进行除湿(加湿)。


家庭网络拓扑如下:

盛天集团官方网站家庭中的智能设备通过485或者zigbee网络连接到家庭网关,网关通过网线或WiFi连接至云平台。用户可以通过面板设置智能场景让家庭网关本地管理,也可以通过手机远程查看家庭温湿度情况,手动进行控制。

笔者设计的这款智能开关面板,要求温度精度是±0.5°C,湿度精度典型值是±3%TE Connectivity公司推出的温湿度传感器HTU20D温度精度是±0.3°C,湿度精度典型值是±2%,测量精度高,满足智能开关面板对温湿度检测精度的要求。

 

智能开关面板系统框图如下:

温湿度传感器选型设计难点:

传感器附近的外部热源或由传感器内部散发的热源将会使温度读数增高(因此湿度降低)。为了避免加热传感器需要考虑以下几点:


自热:盛天集团官方网站传感器工作时间应该低于10%,

盛天集团官方网站关于自热,铲平采取的措施是避免传感器长时间的处于测量状态,通过设置合理的测试周期,让休眠模式的时间和测量状态的时间比大于10。 (@T = 25°C, @Vdd = 3V) 单次湿度测量时间为最大值为16ms,单次温度测量时间最大值为50ms。设计中每1秒测试一次。可以有效的降低自热造成的误差。


热传导:传感器应远离所有热源

本设计使用FPC来将传感器连接到印刷电路板上,避免了PCB本身发热对传感器准确性的影响。


热对流/辐射:盛天集团官方网站屏蔽传感器与加热的空气和热辐射,

采用FPC将传感器连出,安装在壳体内侧,和主板发热区域分离,通过壳体开孔和环境空气对流,传感器PCB补强部分加上硅胶套,用于固定的同时屏蔽主板侧的热影响。


采样数据处理:

为保证采集数据的准确性,系统会对采集到的温湿度数值和前一次采集数据进行对比,当两者的差异超过系统设置的阈值时,当前显示的采集值暂不更新,如果下一次采集的温湿度值也在前一次的数据范围,此时更新显示的采集值。


用户体验提升:

这款智能开关面板系统设置界面增加了温湿度的补偿设置,用户在使用过程可以和标准的温湿度仪器进行对比校准,通过调节补偿值,让开关面板的测量值和参考设备一致。提高用户使用体验。

 

湿度测量温度系数补偿方法: 

由于非常温(25℃之外的其他温度)环境下,相对湿度测量精度会受到影响。为了保证该湿度传感器测量的精度,我们采用温度系数补偿方程进行湿度补偿,保证产品的测量精度。

盛天集团官方网站采用温度补偿算法从而获得精确湿度数据的实际原理是在当前从HTU20D内部寄存器中读取到的湿度值和由当前环境温度引起的校正值进行做加运算。如下面公式所示。RHactualT为当前从寄存器中读取的湿度测量值,f(T)为所要补偿的校正值,其中f(T)和环境温度T为一次函数关系。


 

其中, 

RHactualT     环境湿度 %RH,HTU20D测量读取

Tactual         湿度测量单元当前温度 ℃,HTU20D测量读取

 f(T)              湿度校正值(%RH)和当前温度的线性函数,如下:


电路原理图:

盛天集团官方网站传感器VDD供电端口增加0.1uF电容用于电源滤波,I2C数据线SCL和SDA信号线上增加10k的上拉电阻,保证信号的稳定性。

PCB实物图:

 

智能开关面板中温湿度传感器我们选用TE HTU20D,主要基于它的如下优势:

1、封装小:HTU20D采用DFN小封装,尺寸为3x3 x0.9mm,能够节省PCB空间。

盛天集团官方网站2、精度高:HTU20D温度精度是±0.3°C,湿度精度典型值是±2%,测量精度高,满足通过智能开关面板检测温湿度实现家用空调或新风系统对室内空气湿度进行除湿或者加湿的自动调节功能。

盛天集团官方网站3、功耗低:HTU20D在8位模式测量时消耗功率典型值是 2.7uW,测量中的电流消耗典型值是450uA,响应时间是5 s。用户可以通过指令改变HTU20D的采样率(8/12bit)。最高12位采样率下测量时间典型值是14ms,而当选择8位的采样率情况下,只需要2ms。

4、无需生产校准:HTU20D工作电压范围1.5V到3.6V,出厂已单独测试和校准,保证产品批次一致性,便于生产。标准 I2C接口格式,方便产品设计。

盛天集团官方网站5、兼容性:HTU20D可以与SHT20完全兼容,硬件管脚PIN TO PIN,无需修改电路板,软件也无需修改!拥有很好的价格优势,极具性价比。

 

TE的HTU20D有着以上优秀的特征和性能,相比市面上其他的解决方案, HTU20数字式温湿度传感器可感测真实相对湿度和温度,以提供同类最佳性能和卓越价值,可广泛用于工业自动化、通信设备、智能农业、远程智能监护、智能家居系统等多个领域。

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  • Clarence Lv8. 研究员 2019-02-18
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  • 134******99 Lv7. 资深专家 2019-02-17
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