基于第四代SHT41/5设计的高可靠高精度RS-485温湿度传感器

发布时间：2022-11-14 浏览次数：125次

温湿度传感器在工业环境中的应用极为广泛且重要。在工业生产过程中，温湿度是影响产品质量和生产效率的关键因素。温湿度传感器能够实时监测生产环境的温湿度数据，为生产设备的运行提供精确的数据支持。温湿度传感器在工业环境中的应用极为广泛，对于提高生产效率、保障产品质量、优化生产条件等方面都具有重要意义。本文主要介绍芮捷WS10x系列温湿度传感器的设计思路。

温湿度传感器

一、温湿度传感器的测量原理

温湿度传感器的工作原理基于热电偶和湿度感应元件。首先，热电偶感应元件可以测量管道进气的温度。热电偶原理是基于热电效应，它利用两个不同材料的接触处产生的热电势差来测量温度。当进气流经传感器时，热电偶感应元件会与进气接触，将温度变化转化为电信号，然后通过放大和处理，得到精确的温度数值。

湿度感应元件可以测量管道进气的湿度。湿度感应元件是一种基于湿度对电容的影响来测量湿度的装置。当进气中的水分子接触到湿度感应元件时，会改变其电容值，通过测量电容的变化，可以准确计算出进气的湿度。

电容式湿度传感器的聚合物薄膜从空气中吸收水蒸气，测量电容的变化。聚合物薄膜吸收水分后，由于水分子的加入，整体介电常数会发生变化，进而导致电容产生可供测量的变化。 通常情况下，电容的变化会转换成与周围空气相对湿度成比例的电压信号。电容式湿度传感器精度高、耐用、响应速度快，因此非常适合在不同环境中广泛应用。

二、温湿度测量关键型号选择

对于温湿度传感器来说，Sensor的选型至关重要，综合市面上所有国产和进口的Sensor，盛思锐（Sensirion）的第四代温湿度传感器SHT41和SHT45是一个相对比较优异的选择，其基于全新升级的CMOSens芯片，功耗更低，精度更高。电源电压范围扩大至1.08 V至3.6 V，非常适合移动应用和电池供电应用。微型尺寸搭配坚固的DFN封装外壳，可轻松集成至各种具有挑战性的设计，同时还能满足JEDEC JESD47规定的严格可靠性要求。

Sensor SHT4X

常规版本采用SHT41，其典型温度精度可以达到0.2℃，湿度精度可达1.8%。

参数特征

三、接口设计

为了满足不用的应用需求，WS10x系列传感器共推出3个不同接口的版本，针对不同的开发需求，分别是I2C版本的WS102，低功耗UART版本的WS101以及RS-485版本的WS100。

I2C版本提供低功耗和低成本解决方案，需要用户的MCU通过I2C接口对SHT4x的寄存器进行操作，先发送I2C写，写入特定指令，延时一段时间，等待SHT41处理后，再进行I2C读，读出数据即可 。

UART版本通用兼顾了低功耗，内部采用超低功耗MCU，支持超低功耗串口（可休眠唤醒），提供标准modbus指令，便于集成。

RS-485版本则提供了一种更高可靠性的选择，内部集成隔离RS-485模组，支持高输入电压的DC-DC降压模块，相对于I2C和UART版本，其独特优势是允许数十米乃至上百米的走线（I2C和UART总线，一般不建议超过3米走线的应用），并支持并联多个传感器终端（地址需要配置）。

接口说明

以下为官方针对I2C总线设计的说明，供参考！

盛思锐 SHT 系列传感器依赖于 I²C（集成电路总线）通信协议 。I²C 是一种广泛使用的串行通信协议，允许多个设备使用共享总线相互通信。它使用两条双向线路：SDA（串行数据线）用于数据传输，SCL（串行时钟线）用于时钟同步。

关于新装置的设计，有一些与 I²C 相关的因素需要考虑：

噪声

为尽量减少其他信号的噪声干扰，确保 I²C 总线上的所有装置都正确接地，宜共享公共地线。 使用高质量的电缆和连接器，保持短线迹，避免急弯，也可增强信号完整性。如果受到电磁干扰较多，屏蔽PCB和使用屏蔽电缆可能会有好处。

电缆长度

按照设计，I²C 用于在单个 PCB内或同一电路板上的器件之间进行短距离通信。I²C 电缆越短越好。这样可以减少电缆的寄生电容。长电缆会导致信号衰减，可能需要信号缓冲器或信号复现器。如果必须使用长电缆，可考虑使用 I²C 总线扩展器或 I²C隔离器来保持信号完整性并防止噪声。

多组件系统

I²C允许多个组件共享同一总线，减少了所需的通信线路数量，同时也减少了微控制器和其他装置的引脚数，从而降低成本，缩减所需的电路板空间。之所以能做到这一点，是因为 I²C采用控制器（主）-目标（从）架构，可在同一总线上的多个装置之间高效传输数据。当多个组件位于同一总线上时，I²C 总线上的每个装置都必须有唯一地址。盛思锐 SHT 系列传感器有三种不同的I²C 地址（0x44 、0x45 和 0x46），可在同一 I²C 总线上轻松集成多个传感器。 使用相同地址的多个装置会导致冲突和通信错误。

时钟拉伸

某些 I²C 装置可能需要额外的时间来处理数据，导致时钟拉伸。请确保主装置和传感器都能处理时钟拉伸，避免数据损坏。

四、电源设计

WS100内部集成了高可靠性的电源方案，采用TI的一款具有集成高侧 MOSFET的60V、2.5A降压稳压器。它采用电流模式控制，可实现简单的外部补偿和灵活的组件选择。其低纹波脉冲跳跃模式可将无负载的稳压输出电源电流减小至 138µA。通过使用使能引脚，在该引脚为低电平时，关断电源电流将降至1.3µA。

电源

欠压锁定 (UVLO) 电压在内部设定为2.5V，但可利用使能引脚将该值进行提高。输出电压启动斜坡受控于慢启动引脚，还可以配置该引脚来控制排序和跟踪。开漏电源正常信号表示输出处于其标称电压值的 94% 至 107% 之内。宽开关频率范围实现了对效率及外部组件尺寸的优化。频率折返和热关断功能可在过载情况下对部件提供保护。

电源模块电路

五、隔离RS-485设计

WS100内部集成隔离式半双工RS-485收发器，内部集成隔离DC-DC转换器，提供较高的电气隔离并具有优异的性能，以满足工业应用的需求。器件内部的逻辑输入与输出缓冲器之间通过二氧化硅（SiO2）绝缘栅隔离，能够承受高达2.5kVRMS（1分钟）的隔离电压以及±150kV/μs的典型CMTI。绝缘栅阻断了逻辑侧与总线侧的地环路，有助于降低端口间地电势差较高的噪声，确保数据的正确传输。

隔离RS-485

1/8单位负载，支持多达256个总线节点，集成过载和短路保护，内置热保护功能，高共模瞬态抗扰度：±150kV/μs（典型值），总线I/O ESD保护，±8kV HBM ESD，隔离栅寿命：>40年，带有限流驱动器和热关断功能，开路、短路和空闲总线失效保护。

隔离RS-485电路

六、外壳及防护

外壳采用金属烧结工艺，毛细孔非常均匀，防腐蚀，可以在一些酸碱性环境使用，外观精美，透气性好，气体湿度、流量和交换速度快，可以防止水渗入传感器内部并损坏传感器，过滤防尘、耐腐蚀、防水能力佳，可达IP65防护等级，孔径范围：0.2 ~ 120μm，耐压能力150 bar ，使用温度可达-70℃ 至 600℃，有良好的长期稳定性和灵敏度。

外壳

尺寸说明

产品采用注塑一体航空插头。注塑一体插头没有连线处，避免了接触不良、松动、短路等问题，避免了插拔时的机械磨损，从而大大提高了产品的可靠性。注塑一体插头外观美观，不仅可以保护设备，还可以优化产品外观设计。

七、功耗测试

产品采用低功耗设计方案，I2C和UART接口版本适合于低功耗场景，也可以根据应用场景定制低功耗方案。

Sensor对比

八、配套工具

我们提供传感器的配套工具，请复制链接下载。 http://doc.rejeee.com/web/#/29?page_id=200

九、无线传感器采集方案

可以通过接入无线数据采集器的方式，变有线为无线传感器，我们提供配套LoRa和4G CAT1的无线采集器。

应用场景