SHT75溫濕度傳感器在煤礦井下救生艙中的應用

中國煤炭科工集團重慶研究院 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 曹利波

1.引言

救生艙作為井下緊急避難場所，其艙內溫度和濕度的實時監測與控制，是延長被困礦工生存的工作之一。為延長救生艙備用電池的工作時間，因此要求各用電設備均低功耗。

SHT75溫濕度傳感器克服了傳統傳感器在檢測時溫度變化對濕度產生的影響且測量結束時可自動進行休眠模式，大大減小系統功耗，因此本文采用SHT75[4]作為井下救生艙溫濕度檢測傳感器并對其工作原理、電路以及數據的補償進行了詳細分析與設計。

2.SHT75溫濕度傳感器

2.1 SHT75溫濕度傳感器概述

SHT75是一款集溫度、濕度于一體的傳感器，采用CMOSens技術，具有體積小、抗干擾能力強、功耗低等優點。采用兩線數字化接口，可與單片機直接相連，大大減小了外圍電路。其內部結構圖如圖1所示。

圖1 SHT75內部結構

SHT75具有較寬的溫濕度測量范圍。分別為-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常條件下，則會導致采集的信號暫時性漂移，需要對傳感器進行校正。在溫度為100～105℃，相對濕度小于5%RH的條件下保持10小時即可自動校正；或者在溫度為20～30℃，相對濕度大于75%RH的條件下保持12小時。

SHT75在默認條件下，溫濕度測量分辨率分別為14bit和12bit，但在高速測量或者超低功耗情況下，溫度和濕度采樣分辨率可分別下降為12bit和8bit。

2.2 SHT75溫濕度傳感器工作原理

SHT75溫濕度傳感器芯片上設計有傳感器穩壓電路、信號運算處理電器、標定數據存儲器、溫濕度傳感元件、14位AD轉換電路和兩線數字串行接口電路，輸出信號是經過全量程標定和補償的數字信號。以I2C總線的通信方式與單片機相連，芯片內部OPT存儲器保存有校準系數。

3.SHT75與MSP430單片機電路設計

為降低系統功耗，本設計采用美國TI公司的超低功耗型號為MSP430F149的16位單片機與SHT75溫濕度傳感器相連接[1]，通過兩個普通IO口模擬I2C總線與傳感器通信。根據需要，在救生艙內可安裝多個傳感器掛在IIC總線上。SHT75與MSP430F149單片機電路連接如圖2所示。

圖2 SHT75與MSP430F149單片機電路連接圖

4.溫濕度數據檢測

4.1 SHT75寄存器操作

單片機通過模擬I2C總線與SHT75進行數據傳輸，通過寫入不同的指令實現對SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代碼如表2所示。

表2 SHT75引腳功能及名稱

4.2 溫濕度數據處理與補償計算

SHT75傳感器數字信號輸出時通過8bit CRC[5]校驗保證數據傳輸的正確性。由于通過SHT75檢測的溫濕度信號曲線為非線性，因此需要對檢測的數據進行補償，補償公式如下：

式中，RHliner表示檢測的線性濕度值，SORH表示從SHT75中讀取的溫度值，在測量精度為12bit時，c1為-4，c2為0.0405，c3為-2.8·10-6；在測量精度為8bit時，c1為-4，c2為0.648，c3為-7.2·10-4；

由于溫度對濕度測量會產生較大影響，因此在所測溫度點進行補償運算，補償運算公式如式2所示。

式中，RHtrue為實際測量的相對濕度值，ToC為實際測量的溫度值，在測量精度為12bit時，t1為0.01，t2為0.00008；在測量精度為12bit時，t1為0.01，t2為0.00128；

在進行溫度測量時，由于溫度傳感器具有很好的線性，可直接使用式3進行處理計算。

表3 SHT75引腳功能及名稱

式中，ToC為校正后溫度讀數，SOT為直接讀取的溫度數據，參數d1功能供電電壓有關，具體如表3所示。

參數d2在測量精度為14bit時，d2為0.01℃或為0.018℉；在測量精度為12bit時，d2為0.04℃或為0.072℉。

5.結語

本文基于SHT75溫濕度傳感器及超低功耗的MSP430F149單片機構建井下救生艙的溫濕度檢測系統，整個系統可以較大范圍的監測救生艙內溫濕度，體積小、測量精度高和功耗低等，滿足井下救生艙的特殊要求。

[1]蔣正義,朱善安,韓東芳.基于MSP430和nRF401的無線自動抄表系統[J].集成電路應用,2004,11:74-77.

[2]孫繼平.煤礦安全生產監控與通信技術[J].煤炭學報,2010,35(11:1925-1929.

[3]王建軍,陳光柱,夏曉東.煤礦井下救生艙體結構設計與分析[J].煤礦機械,2011,32(12):13-15.

[4]楊景景,黃亮.數字式濕溫度傳感器SHT75的應用[J].常州工學院學報,2009,22(1):31-33.

[5]李柏榕.基于MODBUS的溫度控制器的研究[D].大連交通大學碩士論文,2009.