有鑒於溫度和濕度對建築物和電子系統的結構完整性的影響，獲得對這些參數的準確和可靠測量能力，是消費性、工業和醫療應用的廣泛設計基礎。人們十分關注濕度和溫度對健康的影響，研究顯示，這些參數的變化會產生從體感不適到氣溶膠化病毒感染等各種影響。

為了滿足這種需求，設計人員需要一種成本效益高、外形尺寸小、易於佈署的解決方案，以便在各種應用中檢測溫度和濕度。為了延長當產品應用於偏遠或其他難以到達地點的電池壽命，解決方案可能還需要消耗很少的電力，同時保持必要的精度和穩定性。

本文討論環境溫濕度對基礎設施、電子系統和人體健康的影響。然後介紹並展示了如何使用TE Connectivity Measurement Specialties的小型濕度和溫度感測器，以及設計人員如何利用該感測器來更輕鬆地滿足各種應用的關鍵測量要求。

準確測量濕度和溫度的重要性

在很多領域準確監控和調節濕度和溫度水平的能力都發揮著關鍵作用，這些領域包括供暖、通風和空調（HVAC）系統，以及用於睡眠呼吸暫停的持續正壓氣道壓力（CPAP）裝置，甚至會影響到人類的幸福指數。

相對濕度（RH）這個耳熟能詳的名詞，表示空氣中的含水量，是指在給定溫度下空氣所能容納最大水量的百分比。和溫度一樣，濕度過高或過低都會讓人感到不舒服，甚至對建築結構，以及機械設備和電子裝置造成損害。

建築物濕度過高，會導致混凝土和其他材料的腐蝕、黴菌生長和分解。在電子裝置中，濕度過高，特別是當裝置從陰涼處進入潮濕環境時，可能會因結露而導致短路。

濕度低會造成材料收縮、紙製品損壞、靜電積聚。隨著積聚量的增加，產生的靜電會對電子裝置造成損害，並在揮發性有機化合物（VOC）含量較高的環境中引發火災。因此，RH 感測器在為建築提供安全、健康的環境方面發揮著重要作用。這在促進人類健康和福祉方面，所需面對的類似問題越來越多。

人類通常會注意到不舒服的溫度而不是濕度水平，但過低或過高的濕度水平都會影響健康。濕度過高或過低會加重哮喘和過敏患者的症狀，並導致睡眠品質較低，即使健康的人也會有影響。在極低的濕度下，人體組織會因為乾燥造成對眼睛或鼻腔的刺激。CPAP製造商通常依靠濕度感測器，來確保他們的設備可為使用者提供合適的潮濕空氣。

濕度的測量和控制在公共衛生中發揮著更廣泛的作用。研究人員發現，濕度水平不需要達到極端的乾燥或潮濕，就能對人體生理發生作用。正常情況下，鼻腔中的水分有助於排出氣溶膠化病毒（懸浮在微滴中的病毒）。當鼻腔乾燥時，氣溶膠病原體可以更深入地滲透到呼吸系統，更容易引起感染。由於這些因素和其他生理因素的影響，當濕度低於40% RH 時，氣溶膠化流感病毒的感染力明顯提高（圖一）。最近的研究顯示，相對濕度在40%～60%之間，對降低新冠肺炎感染也有一定作用，甚至可以降解引起新冠肺炎的SARS-CoV-2 病毒。

圖一 : 研究顯示，低相對濕度與氣溶膠化病毒感染性增加之間的關係，將持續推動對較精確測量解決方案需求的增長。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

雖然在眾多不同的應用中，準確測量濕度和溫度至關重要，但相應的設計要求卻限制了開發人員輕鬆建構有效解決方案的能力。除了對高精度和低長期漂移要求外，許多應用還要求感測器以最小封裝，並提供快速測量和低功率消耗操作能力，以便將感測器放置在理想的測量點上，無論是HVAC加濕器、CPAP濕度控制設備還是精密環境監測系統。TE Connectivity 的HTU31D濕度和溫度數位感測器，可滿足越來越多依賴精確資料應用的要求。

滿足關鍵測量要求的解決方案

HTU31D具有體積小、精度高的特點，適用於從消費性產品到醫療和專業監測系統的各種應用。它採用 6 接腳封裝，尺寸為 2.5 x 2.5 x 0.9 mm，已經過完全校準，無需額外的現場校準。由於其體積小，開發人員可以將感測器放置在對早期感測解決方案來說太小的位置，並使用現成的I²C緩衝器或電平移位器，透過其I²C序列介面將遠端放置的HTU31D連接到其主機控制器。

HTU31D測量的相對濕度範圍為0到100%，典型精度為±2%，相對濕度滯後為±0.7%，典型長期漂移小於0.25% RH/年。該元件的溫度測量範圍為-40至125℃，典型精度為±0.2℃，典型長期漂移為0.04℃/年。為了保持其可靠性，該感測器整合了一個加熱元件，用於消除高濕度水平下的冷凝水，同時帶有內部診斷功能，以檢測測量誤差、加熱元件誤差和內部記憶體誤差。

在用於濕度和溫度測量的基準模式下，該感測器的解析度為0.020% RH和0.040°C，轉換時間分別為1毫秒（ms）和1.6毫秒。對於更苛刻的要求，該元件還提供了讓開發人員以轉換時間為代價來提高解析度的操作模式。在每個感測器的最大解析度模式下，HTU31D可以提供0.007%的RH（轉換時間為7.8毫秒）和0.012℃（轉換時間為12.1毫秒）的精度。

對於某些應用，如電池供電型產品，元件的低電流消耗是同樣重要的特性。在其基本解析度模式下工作，每秒執行一次相對濕度和溫度測量，元件通常只需要1.04μA。在非活動期間，可將元件置於休眠模式，通常只消耗0.13μA。當然，短暫地使用內部加熱器來消除冷凝水或測試溫度感測器，同樣會導致電流短暫但顯著地增加。

簡單的硬體和軟體介面

HTU31D濕度和溫度數位感測器為開發人員的設計提供了簡單的硬體和軟體整合介面。除了 3至5.5伏特供電電壓（VDD）和接地（GND）接腳外，該元件的硬體介面還包括用於I²C標準序列資料（SDA）和序列時鐘（SCL）線路的接腳。其餘兩個接腳包括一個復位（RST）接腳和一個位址（IC_ADD）接腳。當IC_ADD與GND或VDD連接在一起時，該元件分別回應I²C位址0x40或0x41，允許兩個HTU31D元件共用同一個I²C匯流排而不發生衝突。

主機處理器使用基本的I²C序列交易處理進行命令和讀取結果發送。命令使用一個由I²C位址組成的雙位元組序列，後接一個命令字節，透過設置各個位元來指定支持的功能，具體包括綜合溫度和濕度測量、僅濕度測量、復位、加熱器打開或關閉、裝置序號和診斷。

例如，如要執行溫度和相對濕度（T & RH）綜合測量，主機將發送位址位元組和一個包含轉換命令位元和指定溫度，以及相對濕度測量所需解析度位元的位元組。該元件支援簡單輪詢方法，因此在發送兩個位元組的轉換命令序列後，主機處理器將等待規格書中規定的與解析度相關的持續時間，然後再發出一個帶有位址位元組（0x40 或 0x41）的兩個位元組序列，然後是T＆RH讀取命令字節（0x0）（圖二，頂行）。每次請求溫度和濕度測量時，HTU31D會將透過發送原始值的上、下位元組來做出回應（圖二，下兩行）。利用 HTU31D規格書中提供的一對公式，將原始值轉換為相應的實際溫度和濕度值。

圖二 : HTU31D濕度和溫度數位感測器為快速獲得溫度和相對濕度測量，提供了一個直接的介面。（source：TE Connectivity Measurement Specialties）

如圖二所示，HTU31D在每一個16位元資料序列後面都有一個位元組，其中包含了元件產生的資料迴圈冗餘校驗（CRC）值。該CRC-8校驗和能夠檢測出資料傳輸中任何地方的單個位元錯誤或雙位元錯誤，或8位元窗內的位元錯誤群集。透過將這個傳輸的CRC值與從所接收資料計算出的CRC值進行比較，主機處理器可以快速識別失敗的傳輸，並採取適當的行動，如重複測量命令，短暫地打開HTU31D整合加熱元件，發出復位，或提醒使用者測量系統可能出現故障。

傳輸序列的另一個特點是，當發生某種覆蓋需求時，主機可以在其正常完成之前停止回應序列。在正常交易處理中，HTU31D期望在第一個資料位元組後有一個確認（ack），在資料序列的最後有一個最後的不確認（nack）和停止序列（見圖二）。當不需要CRC資料或濕度資料時，或者急需裝置重定或加熱器啟動等新命令時，開發人員可以使用此功能停止進一步傳輸。在這裡，主機可以發出最後的ack/stop序列來立即終止來自感測器的資料傳輸，而不是在資料或 CRC 位元組之後發送預期的ack。

TE的HTU31D提供一個直接的電氣和功能介面，但採用任何高敏感度的感測器都需要仔細的進行實體設計，以避免因與板上其他元件的電氣或熱相互作用而產生測量偽影。同樣地，在實現命令序列協議或值轉換等式方面時出錯時，也會拖延不斷演進產品中的濕度和溫度感測功能的評估和原型設計。MikroElektronika提供的擴展板和相關軟體允許開發人員繞過潛在實現問題，並能立即開始設計和開發。

快速原型設計和加速開發

MikroElektronika MIKROE-4306採用HTU31D的Temp & Hum 14 Click擴展板完整實現了感測器電氣介面（圖三，左），它安裝在一塊尺寸為 28.6 x 25.4 mm 的電路板上（圖三，右）。

圖三 : 除了做為訂製開發的參考設計原理圖（左）外，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 板（右）還為採用 HTU31D 感測器的測量解決方案，為即時評估和快速原型設計提供了一個平台。（source：MikroElektronika）

與MikroElektronika和其他供應商的其他mikroBUS Click擴展板一樣，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板旨在插入到主機處理器板（如 MikroElektronika Fusion開發板）中，並與MikroElektronika的開源mikroSDK軟體發展框架一起使用。

MikroElektronika為mikroSDK環境補充了套裝軟體，這些套裝軟體為特定的Click板和開發板提供了驅動程式和電路板支援。對於Temp & Hum 14 Click 板，MikroElektronika 為其 Fusion 和其他 MikroElektronika 板系列提供Temp-Hum 14 Click套裝軟體的綁定。

Temp-Hum 14 Click套裝軟體支持使用HTU31D專用功能庫進行開發，該功能庫可透過應用程式設計介面（API）進行存取。隨附的範例應用程式展示了HTU31D感測器的操作，使用了一組簡單的API函數，具體包括：

‧ temphum14_set_conversion，執行前面提到的轉換序列

‧ temphum14_get_temp_and_hum，執行感測器的T和RH資料序列

‧ temphum14_get_diagnostic，從HTU31D的晶片上診斷暫存器讀取錯誤狀態

該範例應用程式碼展示了系統初始化、應用初始化和應用任務的執行。清單 1 顯示了旨在在 MikroElektronika Fusion for KINETIS v8 MIKROE-3515開發板上運行的套裝軟體的一個片段，該開發板採用NXP的MK64FN1M0VDC12 Arm Cortex-M4 Kinetis K60 微控制器。

在套裝軟體中包含的範例應用，展示了使用TE HTU31D感測器實現軟體應用程式的基本設計模式。例如主常式首先調用系統初始化函數（system_init()）來設置包括HTU31D感測器在內的低層驅動程式，並調用函數（application_init()）來初始化應用資源。在這種情況下，application_init()在執行感測器復位和函式呼叫 (temphum14_get_diagnostic())以檢索感測器的診斷資訊並顯示診斷資訊 (display_diagnostic())之前，會用感測器物件的實例來初始化系統的 I2C 驅動程式。

在短暫的初始化階段之後，樣本應用程式進入了一個無盡的迴圈，每隔三秒就會調用一個應用程式任務。在程式碼中，應用任務請求以0.020% RH和0.040°C解析度在如前所述的 HTU31D 基準工作模式下進行轉換。

在這種基準模式下，HTU31D只需要1 ms來測量相對濕度，1.6 ms來測量溫度。在調用 API 函數 temphum14_get_temp_and_hum()之前，範例應用程式會使用10 ms的延遲 （delay_ms(10)）來拉長等待時間，以獲取溫度和濕度值。由於該函式庫執行了將HTU31D 的原始值轉換為實際溫度和濕度測量值所需的轉換，因此可以直接使用所產生的測量值，在這種情況下，只需記錄結果。

利用這個硬體平台和相關的軟體環境，開發人員可以快速評估並開發HTU31D感測器應用原型，以獲得各種解析度的精確相對濕度和溫度測量值。如需進行訂製硬體開發，MikroElektronika Temp & Hum 14 Click板可作為完整的參考設計使用，同時包括完整的原理圖和實體設計。如需進行訂製軟體發展，Temp-Hum 14 Click套裝軟體提供了一個基本的範本，可以建構更全面的應用程式。

結語

濕度和溫度對結構和裝置的完整性，以及人類的健康和福祉起著至關重要的作用。然而，對濕度和溫度的管理是否合適，有賴於測量的精度與普遍的量測方式結合，由於傳統感測器方案的限制，這些將很難輕易實現。

TE Connectivity Measurement Specialties的濕度和溫度感測器提供了獨特的精度、穩定性、尺寸和易用性組合，可滿足消費性、工業和醫療應用中新出現的量測要求。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區技術內容部門應用工程經理）