基于SHT75的数字式低功耗温湿度传感器的设计

摘 要

针对煤矿井下温度、湿度传感器多是单一设计，且功耗较高的情况，提出了一种基于SHT75的数字式低功耗温湿度传感器的设计方案，该方案采用高效率的开关电源、低功耗的数据采集芯片和微处理器、高可靠性的通信芯片，设计了一款具有竞争力的传感器。

【关键词】温度 湿度传感器 低功耗 开关电源 可靠性

目前煤矿井下实使用的多是单一的温度传感器，可以同时监测温度和湿度的传感器尚没有完全普及，另外，随着科学技术的发展和煤矿安全要求的提高，越来越多的传感器的设备保护级别要求也提高了，随着设备保护级别的提高，要求传感器本身的功耗要越来越低，才能满足现场使用的需要，因此，笔者设计了一款低功耗的温湿度传感器。

1 温湿度传感器总体设计

温湿度传感器主要由不锈钢外壳、内部电路板两部分组成，内部电路主要由电源供电电路、微处理器电路、数据采集电路、LED显示电路、声光报警电路、数据传输电路等组成。

2 电气部分设计

电气部分设计在完成传感器基本功能的基础上，同时进行了低功耗设计和电磁兼容性设计，为了能够满足GB3836.4-2010中设备保护级别Ma级的要求，在保护电路部分均做了三重化的处理和使用标准中允许的可靠组件。

2.1 电源电路的设计

传感器的电源电路是整机设备功耗高低的关键，电源电路主要分为两大类电路，一类是线性变换器（LDO），其最大的缺点就是效率低；一类是开关式DC/DC升降压变换器，其特点是：效率高、负载相应快。因此，我们选用开关式DC/DC降压变换器LM3100，美国国家半导体的LM3100是一款高效率兼高性价比的同步整流降压稳压器，由于其独特的内部结构，只需要很少的外部器件，减小了设计难度和线路板的空间；外部电容采用高可靠的陶瓷电容，可以进一步提高其转换效率、降低输出纹波电压，工作频率通过外部编程可高达1MHz，保护功能包括热关断、欠压锁定等。

2.2 微处理器部分设计

微处理器的功耗在整机功耗中占有一定的比例，在满足基本需要的前提下，我们选用TI公司的超低功耗类型的MSP430系列中的MSP430F1232微处理器，低电压、超低功耗，在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，最大耗电400uA；强大的处理能力，其为16位RISC结构，有高效的查表处理方法和较高的处理速度；系统工作稳定，上电复位后，保证振荡器有足够的起振及稳定时间，如果晶体振荡器发生故障，DCO会自动启动，如果程序跑飞，看门狗会起作用；片上资源十分丰富，基本时钟模块、US-ART、10位ADC、带有3个捕获/比较器的16位定时器、双向的I/O端口。

2.3 信号采集传感器设计

SH75是Sensirion温湿度传感器家族中的插针型封装，将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；采用专利的CMOSens技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性；由一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料职称的测温元件组成在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接；ESD静电释放符合MIL STD883E方法3015标准的要求。因此，其具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。

SHT75的供电电压范围为2.4-5.5V，典型供电电压为3.3V，平均工作电流为28μA，相对湿度范围为0-100%RH、精度典型值为±1.8%RH，温度范围为-40-123.8℃、精度典型值为±0.3℃，完全满足MT381-2007《煤矿用温度传感器通用技术条件》的要求；SHT75与微处理器之间采用类I2C串行接口通讯。

2.4 数据传输部分设计

数据传输部分采用典型的差分式RS485通讯方式，芯片选用SN75LBC184，其不但能抗雷电的冲击还能承受高达8KV的静电放电冲击；由于信号在传输过程中会产生电磁干扰和终端反射，使有效信号和无效信号在传输线上相互叠加，严重时会使通信无法正常进行。SN75LBC184的驱动器设计是限斜率方式，使输出信号边沿不要过陡，以不至于在传输线上产生过多的高频分量，从而有效地抑制干扰的产生；另外，为了提高通讯的可靠型，在软件上同时做一些处理，也可以避免通信异常，即在进入正常的数据通信之前，将总线驱动为大于+200mV，并保持一段时间，这样在发出有效数据是，所有接收端能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

3 结构部分设计

电源部分采用了高频的LM3100开关电源，虽然提高了整机的效率，但不可避免的会带来一些电磁干扰，可能会影响传感器数据采集或通讯的异常，因此，在物理上要把干扰源隔离起来，因此，我们采用局部浇封的方法，将LM3100电源部分做成一个小的浇封的模块电源，浇封材料采用环氧树脂，浇封材料的要求以及浇封工艺的要求按GB3836.4-2010中6.6的规定进行；另外，为了防止煤矿井下的电磁波干扰到传感器和外壳可能产生静电的积累，采用了不锈钢的金属外壳。

4 结语

本传感器采用集成度和可靠性高的SH75温湿度专用芯片，降低了成品成本，提供成品功能；采用LM3100开关电源，提高了效率，保证了整机的低功耗设计；微处理器采用TI公司的公认的MSP430系列芯片，降低了整机的功耗；数据通讯部分采用SN75LBC184芯片，在硬件了增强传感器的可靠性，同时，配合软件的设计，更是提供整机的稳定性；因此，该产品在煤矿井下使用，应该具有很高的竞争力，同时，该产品也可以使用在地面的检测实验室。

参考文献

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[6]朱前伟.基于单片机的一氧化碳传感器的设计[J].计算机测量与控制，2009，17（7）：1445-1446.

作者简介

朱前伟（1979-），男，江苏省徐州市人。硕士学位。现为中煤科工集团常州研究院有限公司工程师，主要从事防爆产品的设计和检验工作。

作者单位

中煤科工集团常州研究院有限公司 江苏省常州市 213015

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