SHT75温湿度传感器在煤矿井下救生舱中的应用

中国煤炭科工集团重庆研究院 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 曹利波

1.引言

救生舱作为井下紧急避难场所，其舱内温度和湿度的实时监测与控制，是延长被困矿工生存的工作之一。为延长救生舱备用电池的工作时间，因此要求各用电设备均低功耗。

SHT75温湿度传感器克服了传统传感器在检测时温度变化对湿度产生的影响且测量结束时可自动进行休眠模式，大大减小系统功耗，因此本文采用SHT75[4]作为井下救生舱温湿度检测传感器并对其工作原理、电路以及数据的补偿进行了详细分析与设计。

2.SHT75温湿度传感器

2.1 SHT75温湿度传感器概述

SHT75是一款集温度、湿度于一体的传感器，采用CMOSens技术，具有体积小、抗干扰能力强、功耗低等优点。采用两线数字化接口，可与单片机直接相连，大大减小了外围电路。其内部结构图如图1所示。

图1 SHT75内部结构

SHT75具有较宽的温湿度测量范围。分别为-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常条件下，则会导致采集的信号暂时性漂移，需要对传感器进行校正。在温度为100～105℃，相对湿度小于5%RH的条件下保持10小时即可自动校正；或者在温度为20～30℃，相对湿度大于75%RH的条件下保持12小时。

SHT75在默认条件下，温湿度测量分辨率分别为14bit和12bit，但在高速测量或者超低功耗情况下，温度和湿度采样分辨率可分别下降为12bit和8bit。

2.2 SHT75温湿度传感器工作原理

SHT75温湿度传感器芯片上设计有传感器稳压电路、信号运算处理电器、标定数据存储器、温湿度传感元件、14位AD转换电路和两线数字串行接口电路，输出信号是经过全量程标定和补偿的数字信号。以I2C总线的通信方式与单片机相连，芯片内部OPT存储器保存有校准系数。

3.SHT75与MSP430单片机电路设计

为降低系统功耗，本设计采用美国TI公司的超低功耗型号为MSP430F149的16位单片机与SHT75温湿度传感器相连接[1]，通过两个普通IO口模拟I2C总线与传感器通信。根据需要，在救生舱内可安装多个传感器挂在IIC总线上。SHT75与MSP430F149单片机电路连接如图2所示。

图2 SHT75与MSP430F149单片机电路连接图

4.温湿度数据检测

4.1 SHT75寄存器操作

单片机通过模拟I2C总线与SHT75进行数据传输，通过写入不同的指令实现对SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代码如表2所示。

表2 SHT75引脚功能及名称

4.2 温湿度数据处理与补偿计算

SHT75传感器数字信号输出时通过8bit CRC[5]校验保证数据传输的正确性。由于通过SHT75检测的温湿度信号曲线为非线性，因此需要对检测的数据进行补偿，补偿公式如下：

式中，RHliner表示检测的线性湿度值，SORH表示从SHT75中读取的温度值，在测量精度为12bit时，c1为-4，c2为0.0405，c3为-2.8·10-6；在测量精度为8bit时，c1为-4，c2为0.648，c3为-7.2·10-4；

由于温度对湿度测量会产生较大影响，因此在所测温度点进行补偿运算，补偿运算公式如式2所示。

式中，RHtrue为实际测量的相对湿度值，ToC为实际测量的温度值，在测量精度为12bit时，t1为0.01，t2为0.00008；在测量精度为12bit时，t1为0.01，t2为0.00128；

在进行温度测量时，由于温度传感器具有很好的线性，可直接使用式3进行处理计算。

表3 SHT75引脚功能及名称

式中，ToC为校正后温度读数，SOT为直接读取的温度数据，参数d1功能供电电压有关，具体如表3所示。

参数d2在测量精度为14bit时，d2为0.01℃或为0.018℉；在测量精度为12bit时，d2为0.04℃或为0.072℉。

5.结语

本文基于SHT75温湿度传感器及超低功耗的MSP430F149单片机构建井下救生舱的温湿度检测系统，整个系统可以较大范围的监测救生舱内温湿度，体积小、测量精度高和功耗低等，满足井下救生舱的特殊要求。

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