Атмосфера под контролем: датчики влажности HTS221 и атмосферного давления LPS25

12 ноября 2015

HTS221

STMicroelectronicsстатья

Теперь определять давление, влажность и температуру могут не только громоздкие барометры, гигрометры и термометры, но и смартфоны, и даже «умные часы». Все это стало возможным благодаря уникальным сенсорам, таким, например, как датчики влажности HTS221 и давления LPS25 производства STMicroelectronics.

Компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в сфере производства интегральных датчиков. К настоящему моменту число проданных сенсоров превысило 9 миллиардов. Такая популярность стала следствием отличного качества данной продукции: широкой функциональности, высокой точности измерений, отличной надежности и низкой стоимости.

Сейчас линейка датчиков и МЭМС компании содержит несколько групп: акселерометры, гироскопы, цифровые компасы, инерциальные модули, микрофоны, датчики параметров окружающей среды (рисунок 1).

Рис. 1. Номенклатура датчиков и МЭМС от STMicroelectronics

Рис. 1. Номенклатура датчиков и МЭМС от STMicroelectronics

К датчикам параметров среды относят измерители давления, влажности, температуры, например, датчики давления LPS25H/LPS25HB и влажности HTS221, которым посвящена данная статья.

LPS25H/LPS25HB – ультракомпактные датчики давления и температуры, имеющие следующие отличительные особенности [1, 2]:

  • диапазон измерения 260…1260 гПа;
  • АЦП с разрешением 24 бита;
  • встроенный датчик температуры с абсолютной погрешностью ±2°С;
  • встроенный аппаратный цифровой фильтр;
  • встроенный FIFO-буфер с возможностью усреднения отсчетов;
  • низкое потребление – 0,5 мкА в спящем и от 2 мкА в активном режиме;
  • поддержка коммуникационных интерфейсов SPI и I2C;
  • широкий диапазон рабочих напряжений – 1,7…3,6 В;
  • корпус HLGA-10L 2,5×2,5×1,0 мм (LPS25H), HLGA-10L 2,5×2,5×0,76 мм (LPS25HВ).

HTS221 – ультракомпактный датчик влажности и температуры. Его основными особенностями являются [3]:

  • диапазон измерения влажности 0…100%;
  • АЦП с разрешением 16 бит;
  • встроенный датчик температуры с абсолютной погрешностью ±1°С;
  • встроенный аппаратный цифровой фильтр;
  • низкое потребление – 0,5 мкА в спящем и от 0,8 мкА в активном режиме;
  • поддержка коммуникационных интерфейсов SPI и I2C;
  • широкий диапазон рабочих напряжений 1,7…3,6 В;
  • корпус HLGA-6L 2x2x0,9 мм.

Обзор датчиков давления LPS25H и LPS25HB

LPS25H/LPS25HB – высокоточные датчики давления, выполненные в ультракомпактных корпусах (рисунок 2). Габариты LPS25H составляют всего 2,5×2,5×1,0 мм, а у LPS25HВ они еще меньше – 2,5×2,5×0,76 мм.

Рис. 2. Внешний вид LPS25H и LPS25HB

Рис. 2. Внешний вид LPS25H и LPS25HB

LPS25 представляют собой законченные измерительные системы, снабженные всеми необходимыми функциональными блоками (рисунок 3) [1, 2]. В состав компонента входят: пьезорезистивный датчик давления, датчик температуры, входные аналоговые схемы, АЦП, аппаратный цифровой фильтр, блок температурной компенсации, FIFO-буфер с цифровым фильтром, коммуникационные интерфейсы (I2C/SPI), блоки питания и тактирования.

Рис. 3. Функциональная схема LPS25H/LPS25HB

Рис. 3. Функциональная схема LPS25H/LPS25HB

Основным элементом LPS25 является датчик давления, выполненный в виде моста с чувствительным пьезорезистивным резистором. Этот резистор создается по МЭМС-технологии. Под действием давления его сопротивление изменяется, что приводит к рассогласованию моста.

Питание моста производится с помощью встроенного драйвера. Выходной сигнал проходит малошумящие цепи нормирования и оцифровывается с помощью 24-битного АЦП.

После оцифровки данные поступают в аппаратный цифровой фильтр. Для получения конечного значения несколько выборок усредняются. Число выборок устанавливается программно.

Полученный результат помещается в выходные регистры либо в FIFO-буфер. Встроенный буфер содержит 32 слота для хранения результатов измерений. Его использование позволяет оптимизировать потребление системы в целом. Внешний контроллер может большую часть времени находиться в спящем состоянии и просыпаться только по прерыванию. После пробуждения он вычитывает накопленные данные, проводит требуемую обработку и вновь переходит в спящий режим.

Данные, хранящиеся в FIFO, могут быть дополнительно усреднены. Число отсчетов для усреднения составляет 2/4/8/16/32.

Помимо датчика давления, LPS25H/LPS25HB снабжены датчиком температуры. Измерение давления и температуры происходит раздельно с помощью аналогового мультиплексора. При этом используется общий аналоговый тракт, АЦП и аппаратный цифровой фильтр.

Для считывания результатов доступны I2C или SPI. Для снижения числа выводов интерфейсы выполнены совмещенными – используют общие контакты. Выбор между I2C и SPI производится настройкой регистра управления (CTRL_REG2, 21h).

Метрологические характеристики датчиков LPS25H и LPS25HB

Метрологические характеристики датчиков достаточно высоки (таблица 1) [1, 2].

Измерение давления осуществляется в диапазоне 260…1260 гПа, что при 24-разрядном АЦП дает чувствительность 4096 бит/гПа. Типовая относительная погрешность составляет всего ±0,1 гПа.

Типовое значение собственных среднеквадратичных шумов составляет 0,03 гПа. Это значение может быть снижено до 0,01 гПа при использовании аппаратного цифрового усредняющего фильтра. Однако увеличение уровня передискретизации ведет к росту потребления.

Измерение температуры проводится с разрешением 16 бит, а чувствительность составляет 480 бит/°С.

Каждый датчик LPS25H/LPS25HB проходит заводскую калибровку для трех значений температуры и двух значений давления. Полученные калибровочные данные записываются во внутреннюю энергонезависимую память и позволяют достигать абсолютной погрешности ±1 гПа и ±2°С в диапазоне температур 0…80°С.

Встроенный FIFO-буфер и связанный с ним усредняющий фильтр позволяют значительно снизить потребление и влияние шумов.

Особенности работы FIFO-буфера и усредняющего фильтра в LPS25H/LPS25HB

Частота измерений давления и температуры в датчиках LPS25H/LPS25HB настраивается программно: 1/7/12,5/25 Гц. При этом внешнему контроллеру не обязательно высчитывать результаты каждого измерения. Для снижения потребления следует использовать FIFO-буфер. Микроконтроллер может пробуждаться только при заполнении буфера, а все оставшееся время находится в «спячке». Буфер состоит из 32 слотов.

Гибкость использования буфера достигается за счет использования различных режимов работы. Всего их семь [1,2]:

  • Bypass – буфер отключен.
  • FIFO – буфер включен. Данные записываются до полного заполнения всех 32 слотов, далее сбор данных останавливается, а буфер отключается.
  • Stream – буфер включен. Данные записываются до полного заполнения всех 32 слотов, далее сбор данных не прекращается – более старые данные удаляются.
  • Stream-to-FIFO – буфер включен и работает в режиме Stream до срабатывания триггера (настройка регистра INTERRUPT_CFG (24h). Далее буфер переходит в режим FIFO.
  • Bypass-to-Stream – режим аналогичен предыдущему, но при срабатывании триггера режим Bypass меняется на Stream.
  • Bypass-to-FIFO – режим аналогичен предыдущему, но при срабатывании триггера режим Bypass меняется на FIFO.
  • FIFO Mean – режим усреднения. В данном случае данные, хранящиеся в буфере, не доступны напрямую, а проходят дополнительную обработку в усредняющем фильтре. Число отсчетов для усреднения задается программно и составляет 2/4/8/16/32.

Потребление LPS25H и LPS25HB

Одно из важнейших требований современной электроники состоит в минимизации потребления. Это особенно критично для мобильных и автономных устройств. LPS25H/LPS25HB идеально подходят для сверхэкономичных приложений.

Потребление LPS25 чрезвычайно мало. Это связано с тем, что большую часть времени внутренние блоки находятся в спящем состоянии, пробуждаясь только на время проведения измерений.

В спящем режиме (power-down) потребляемый ток составляет всего 0,5 мкА. В активном состоянии потребление зависит от уровня передискретизации – числа выборок в одном измерении (параметр аппаратного цифрового фильтра) и частоты измерений [4].

Ориентировочное значение тока может быть определено по формуле [4]:

Iпотр = [(3 мкА/Гц + 42 нА/Гц × Pavg) + 30 нА/Гц × Tavg] × ODR

Здесь Pavg – число выборок при измерении давления (задается программно: 8, 32, 128, 512), Tavg – число выборок при измерении температуры (задается программно: 8,16, 32, 64), ODR – частота измерений (задается программно: 1/7/12,5/25 Гц).

Пример 1: ODR = 25 Гц, Pavg = 512, Tavg = 64, Iпотр = 661 мкА.

Пример 2: ODR = 1 Гц, Pavg = 512, Tavg = 64, Iпотр = 26,4 мкА.

Пример 3: ODR = 1 Гц, Pavg = 8, Tavg = 8, Iпотр = 3,6 мкА.

Столь низкое потребление позволяет использовать в качестве питающего элемента стандартные батарейки CR2032, имеющие нагрузочный ток в 200 мА.

Стоит отметить, что для питания датчиков используются два вывода: VDD (основное питание) и VDD_IO (питание входов/выходов). Для каждого из них диапазон рабочих напряжений составляет 1,7…3,6 В (таблица 1). Величина напряжения питания также влияет на значение тока.

Таблица 1. Характеристики датчиков давления и температуры LPS25 от STMicroelectronics

Параметр Наименование
LPS25H/LPS25HB
Измерение давления
Диапазон измерений, гПа 260…1260
Разрешение, бит 24
Чувствительность, бит/гПа 4096
Относительная точность (25°С), гПа ±0,1
Абсолютная точность (0…80°С), гПа ±1
Шум измерений со встроенным фильтром ср. кв. 0,01
Шум измерений без фильтра ср. кв. 0,03
Заводская калибровка есть
Частота измерений, Гц одиночное/1/7/12,5/25
Размерность буфера FIFO 32
Число выборок фильтра усреднения 2/4/8/16/32
Измерение температуры
Разрешение, бит 16
Чувствительность, бит/°С 480
Абсолютная точность (0…65°С), °С ±2
Заводская калибровка есть
Особенности
Коммуникационные интерфейсы SPI/I2C
Корпус LPS25H, мм HCLGA-10L; 2,5×2,5×1,0
Корпус LPS25HB, мм HCLGA-10L; 2,5×2,5×0,76
Диапазон рабочих температур, °С -30…105
Параметры питания
Напряжение питания, В 1,7…3,6
Напряжение питания I/O, В 1,7…3,6
Потребление (максимальное разрешение, частота выборок 1 Гц), мкА 25
Ток потребления в режиме power-down (25°C), мкА 0,5

Датчик влажности и температуры HTS221

HTS221 – ультракомпактный датчик влажности и температуры, выполненный в компактном корпусе HLGA-6L 2x2x0,9 мм (рисунок 4) [4].

Рис. 4. Внешний вид датчика влажности и темпе- ратуры HTS221

Рис. 4. Внешний вид датчика влажности и темпе-
ратуры HTS221

HTS221 содержит различные аналоговые и цифровые блоки (рисунок 5) [4]: датчики влажности и температуры, входные аналоговые усилители, АЦП, цифровой усредняющий фильтр, управляющую логику, коммуникационные интерфейсы, подогреватель, блоки питания и тактирования.

Рис. 5. Функциональная схема HTS221

Рис. 5. Функциональная схема HTS221

Измерение влажности проводится с помощью чувствительного элемента – полимерной планарной конденсаторной структуры. Емкость этого интегрального конденсатора зависит от окружающей влажности. Заряд и разряд чувствительного элемента производятся с помощью встроенного драйвера. Полученный сигнал напряжения нормируется и оцифровывается с помощью 16-битного АЦП.

Полученные выборки поступают на аппаратный цифровой фильтр, где усредняются. Число выборок для усреднения задается программно.

Для определения температуры используется интегрированный датчик. Он мультиплексирован с датчиком давления и использует тот же аналоговый канал, АЦП и аппаратный цифровой фильтр.

Для считывания результатов используются I2C- или SPI-интерфейсы. Для снижения числа выводов они выполнены совмещенными. Для выбора конкретного интерфейса используется вывод CS. Если на CS подан логический ноль – активирован SPI. Если на CS подана логическая единица, то активирован I2C.

Сам по себе процесс измерения является достаточно инерционным. Особенно это касается выхода на режим после включения. Для максимально быстрого прогрева датчика используется встроенный подогреватель.

Метрологические характеристики и потребление датчиков HTS221

HTS221 обладают отличными метрологическими характеристиками (таблица 2) [4].

Таблица 2. Характеристики датчика влажности и температуры HTS221

Параметр Наименование
HTC221
Измерение давления
Диапазон влажности, % 0…100
Разрешение, бит 16
Чувствительность, %/бит 0,004
Точность измерений, % ±6
Частота измерений в секунду 1/7/12,5
Шум измерений ср. кв., % 0,03
Гистерезис, % ±1
Время отклика, с 10
Временная стабильность, %/год 0,5
Температурная компенсация есть
Заводская калибровка есть
Измерение температуры
Разрешение, бит 16
Чувствительность, °С/бит 0,016
Точность (0…60°С), °С ±1
Частота измерений в секунду 1/7/12,5
Шум измерений ср. кв., °С 0,007
Время отклика, с 15
Временная стабильность, °С/год 0,05
Заводская калибровка есть
Особенности
Коммуникационные интерфейсы SPI/I2C
Корпус, мм HCLGA-6L; 2x2x0,9
Диапазон рабочих температур, °С -40…120
Параметры питания
Напряжение питания, В 1,7…3,6
Потребление (максимальное разрешение, частота выборок 1 Гц), мкА 2
Ток потребления в режиме power-down (25°C), мкА 0,5

Измерение влажности производится в диапазоне 0…100% с разрешением 16 бит и чувствительностью 0,004%/бит.

Измерение температуры производится с тем же разрешением 16 бит и чувствительностью 0,016°С/бит.

Оба датчика имеют заводскую калибровку. Калибровочные значения записаны во внутренней энергонезависимой памяти. Абсолютная погрешность составляет 6% и ±1°С для влажности и температуры соответственно.

Значение шума измерений зависит от настройки аппаратного цифрового фильтра. За счет передискретизации и уравнивания шум можно уменьшить. Вместе с тем, это приводит к росту потребления (таблица 3) [4]. Например, при измерении температуры с минимальной передискретизацией 2 получаем худшее значение шумов 0,08°С, но наименьшее потребление 0,8 мкА, а при максимальной передискретизации в 256 выборок уровень шумов падает до 0,007°С, а ток увеличивается до 22,5 мкА.

Таблица 3. Зависимость уровня шумов и потребляемого тока от передискретизации для HTS221

Значение регистра AVGT[2:0]/AVGH[2:0] Число выборок
температуры
Число выборок влажности Шум измерения
температуры ср. кв., °С
Шум измерения влажности ср. кв., % Iпотр @ 1 Гц, мкА
0 2 4 0,08 0,4 0,8
1 4 8 0,05 0,3 1,05
10 8 16 0,04 0,2 1,4
11 16 32 0,03 0,15 2,1
100 32 64 0,02 0,1 3,43
101 64 128 0,015 0,07 6,15
110 128 256 0,01 0,05 11,6
111 256 512 0,007 0,03 22,5

 

Говоря о потреблении, стоит упомянуть о встроенном подогревателе [4]. Он используется для ускорения выхода датчика на режим и управляется внешним контроллером. Во время его работы потребление значительно возрастает и сильно зависит от используемого напряжения питания (таблица 4). При максимальном рабочем напряжении 3,3 В ток достигает 33 мА.

Таблица 4. Потребление встроенного подогревателя датчика HTS221

Uпит, В Iпотр, мА
3,3 33
2,5 22

Оптимизация потребления возможна за счет использования спящего режима power-down, в котором ток составляет всего 0,5 мкА.

Области применения LPS25 и HTS221

Сверхнизкое потребление, малые габариты, высокая точность измерний снимают практически все ограничния на применение LPS25H/LPS25HB и HTS221 в самых различных областях. Вот лишь некоторые из возможных приложений:

  • портативная электроника («умные часы», смартфоны, планшеты и тому подобное);
  • климатические системы (обогреватели, кондиционеры, увлажнители и так далее);
  • портативные метеостанции;
  • промышленные датчики и системы;
  • бытовые приборы (холодильники);
  • медицинское оборудование.

Еще раз стоит отметить, что использование этих датчиков, по большому счету, ограничивается только фантазией разработчика.

Чтобы убедиться в этом, а также для быстрого ознакомления с особенностями LPS25HB и HTS221, компания STMicroelectronics предлагает использовать уникальный оценочный набор X-NUCLEO-IKS01A1. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A1 содержит четыре наиболее современных датчика: 3D-акселерометр/гироскоп LSM6DS0, магнитометр LIS3MDL, датчик давления и температуры LPS25HB, датчик влажности и температуры HTS221.

Средства разработки и отладки LPS25 и HTS221

Традиционно компания STMicro­electronics предлагает программный и аппаратный инструментарий для ознакомления со своей продукцией. Это справедливо и для LPS25H/LPS25HB, и для HTS221.

Чтобы быстро изучить датчики, следует пойти по одному из двух путей:

  • использовать материнскую плату адаптера STEVAL-MKI109V2 с подключаемыми DIL24-модулями датчиков;
  • использовать оценочную плату X-NUCLEO-IKS01A1, входящую в состав открытой среды STM32 Open Development Environment (STM32 ODE).

Использование STEVAL-MKI109V2. Самый простой способ знакомства с LPS25H и HTS221 достигается в первом варианте при использовании STEVAL-MKI109V2 (рисунок 6). На эту плату-адаптер устанавливаются законченные DIL24-модули датчиков: STEVAL-MKI142V1 для отладки LPS25H, STEVAL-MKI141V2 для отладки HTS221. Завершает целостность данного решения дополнительный пакет ПО Unico GUI. Это ПО позволяет настраивать и наблюдать работу датчиков в реальном времени. Доступны версии Unico GUI для всех основных ОС для ПК.

Рис. 6. Использование отдельных DIL24-модулей датчиков и STEVAL-MKI109V2

Рис. 6. Использование отдельных DIL24-модулей датчиков и STEVAL-MKI109V2

STEVAL-MKI109V2 содержит микроконтроллер STM32F103RET6 и питается от USB-порта компьютера.

Главное достоинство этого способа состоит в узкой специализации. Набор предназначен исключительно для ознакомления с работой датчиков, а не для создания каких-то сложных систем. Если же требуется оценка работы датчиков в составе сложных систем, то второй вариант отладки будет более подходящим.

Использование X-NUCLEO-IKS01A1. Отладочная плата расширения X-NUCLEO-IKS01A1 входит в состав открытого пространства разработки STM32 ODE (рисунок 7).

Рис. 7. Открытая среда разработки STM32 ODE

Рис. 7. Открытая среда разработки STM32 ODE

STM32 Open Development Environment (STM32 ODE) – открытое и гибкое пространство разработки устройств на базе микроконтроллеров STM32. Оно включает в себя четыре основных элемента.

Платы разработки STM32 Nucleo – аппаратная основа STM32 ODE. Это платы со стандартным форм-фактором и одним из мощных контроллеров STM32. Сейчас доступны исполнения STM32 Nucleo почти для всех семейств и подсемейств STM32. STM32 Nucleo содержат базовый набор функций и отвечают за вычислительную мощность итоговой системы. Дополнительные возможности достигаются за счет подключения плат расширения.

Платы расширения для STM32 обеспечивают функциональные возможности системы. Они имеют стандартный форм-фактор и совместимы со всеми STM32 Nucleo. Разнообразие плат расширения чрезвычайно велико. Кроме того, возможно подключения нескольких плат расширения. Таким образом функционал итогового аппаратного комплекса практически не ограничен.

STM32Cube – программная основа STM32 ODE. Включает в себя ПО аппаратного уровня (Hardware Abstraction Layer, HAL) и уровня ядра для контроллеров STM32 (CMSIS), ПО промежуточного уровня (middleware) и графический кодогенератор STM32CubeMX для ПК.

ПО для плат расширения. Для каждой платы расширения существует свой отдельный пакет ПО, содержащий драйверы самих плат и установленных для них датчиков, а также дополнительные утилиты и примеры.

Рис. 8. Внешний вид X-NUCLEO-IKS01A1

Рис. 8. Внешний вид X-NUCLEO-IKS01A1

Плата расширения X-NUCLEO-IKS01A1 имеет аппаратную совместимость со всеми STM32 Nucleo за счет использования стандартного форм-фактора и стандартных разъемов 2,54 мм (рисунок 8).

Главное достоинство X-NUCLEO-IKS01A1 состоит в том, что на ней размещены четыре различных датчика: гироскоп/акселерометр, магнитометр, датчик влажности и давления.

Основными особенностями X-NUCLEO-IKS01A1 являются:

  • LSM6DS0: MEMS 3D акселерометр (±2/±4/±8g) + 3D-гироскоп (±245/±500/±2000 dps);
  • LIS3MDL: MEMS 3D-магнитометр (±4/±8/±12/16 Гс);
  • LPS25HB: MEMS-датчик давления 260…1260 гПа;
  • HTS221: датчик влажности и температуры;
  • дополнительный сокет DIL24 для подключения других модулей датчиков;
  • совместимость со всеми STM32 Nucleo;
  • набор бесплатного ПО X-CUBE-MEMS1.

X-CUBE-MEMS1 – пакет ПО, расширяющий функциональность базового STM32Cube. X-CUBE-MEMS1 содержит:

  • драйверы для X-NUCLEO-IKS01A1 и датчиков;
  • примеры для работы с NUCLEO-F401RE и NUCLEO-L053R8;
  • утилиты Windows для логгирования работы датчиков.

 

Заключение

Датчики давления LPS25 и влажности HTS221 сочетают в себе отличные метрологические характеристики, низкое потребление и ультракомпактные габариты. Все это делает их идеальным выбором как для использования в портативной и носимой электронике, так и для создания промышленных и бытовых измерительных систем.

Важным достоинством LPS25 и HTS221 является наличие широкого спектра отладочных средств и сопутствующего ПО производства STMicroelectronics. Разработчикам доступны независимые наборы STEVAL-MKI109V2 + STEVAL-MKI142V1/STEVAL-MKI141V2 и отладочный комплект X-NUCLEO-IKS01A1, входящий в STM32 ODE.

X-NUCLEO-IKS01A1 сдержит на борту не только рассмотренные LPS25HB и HTS221, но также LSM6DS0 (MEMS 3D-акселерометр/гироскоп) и LIS3MDL (MEMS 3D-магнитометр).

X-NUCLEO-IKS01A1 программно поддерживается бесплатным пакетом X-CUBE-MEMS1, который дополняет STM32Cube.

 

Литература

  1. Datasheet. LPS25HB. MEMS pressure sensor: 260-1260 hPa absolute digital output barometer. Rev.2, STMicroelectronics, 2015;
  2. Datasheet. LPS25H. MEMS pressure sensor: 260-1260 hPa absolute digital output barometer. Rev.3, STMicroelectronics, 2014;
  3. Datasheet. HTS221. Capacitive digital sensor for relative humidity and temperature. Rev.2, STMicroelectronics, 2015;
  4. Raffaele Di Vaio. AN4450. Application note. Hardware and software guidelines for use of LPS25H pressure sensor. Rev.1, ST Microelectronics, 2014;
  5. http://st.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее