Создаем датчик температуры и влажности с дисплеем и питанием от батарейки

27 февраля

системы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыдатчикисредства разработки и материалы

Создание системы мониторинга температуры и влажности – весьма актуальная задача. Однако для получения точных результатов необходим правильный подбор компонентов. Компания Texas Instruments упрощает данный процесс, предоставляя пользователям весь спектр необходимого оборудования, а также подробный инструктаж по работе с ним.

Обеспечение надежности и долговечности изделий является одним из актуальных требований современного рынка. Немалое влияние на эти характеристики оказывает соблюдение параметров влажности и температуры при производстве, хранении, а также работе продукции. Датчики этих параметров применяются (рисунок 1):

Рис. 1. Сферы применения датчиков влажности и температуры

Рис. 1. Сферы применения датчиков влажности и температуры

    • в промышленных и индустриальных сферах, например, для поддержания оптимальных условий при сборке и тестировании электронных устройств или для правильного хранения сырья при производстве электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и так далее;
    • в бытовых приборах: разного рода метеостанциях, кондиционерах и прочем;
    • в фармакологии при производстве и хранении сырья и готовых лекарственных препаратов в системах кондиционирования, холодильниках;
    • в пищевой промышленности – также в системах кондиционирования, холодильниках, мобильных холодильных установках для перевозки продуктов питания;
    • в системах автоматизации зданий;
  • в системах сигнализации – в газоанализаторах, детекторах дыма и прочих;
  • в портативной электронике.

Современные датчики температуры и влажности должны обеспечивать высокую точность измерений, отличаться компактными габаритами и иметь малое значение энергопотребления. Кроме того, для достижения минимальной погрешности измерений необходимо учитывать множество схемотехнических и конструктивных особенностей. Компания Texas Instruments не только производит датчики, позволяющие выполнять измерения с погрешностью ±2% в широком диапазоне температур, но также занимает лидирующие позиции во многих других сегментах рынка полупроводниковой продукции, тем самым предоставляя пользователю полный перечень необходимых компонентов для создания конечного решения.

Рассмотрим пример создания датчика температуры и влажности на компонентах данной компании.

Выбор компонентов

Для создания устройства мониторинга температуры и влажности в первую очередь необходимо выбрать соответствующий датчик. Texas Instruments предоставляет пользователям миниатюрные датчики с минимальным потреблением и максимально простой схемой включения. Одним из таких является HDC2010 (рисунок 2).

Рис. 2. Функциональная схема датчика HDC2010

Рис. 2. Функциональная схема датчика HDC2010

HDC2010 представляет собой датчик влажности и температуры, обладающий высокой точностью измерений и малым значением энергопотребления. Датчик доступен пользователям в компактном корпусе типа WLCSP. Измерительный элемент датчика вынесен в нижнюю часть устройства, что обеспечивает защиту от негативного воздействия грязи, пыли и других источников загрязнения. В HDC2010 заложена возможность перехода из спящего режима в активный и обратно без использования микроконтроллера. Все это, в совокупности с программируемыми интервалами дискретизации и поддержкой напряжения питания в 1,62 В, делает HDC2010 подходящим решением для создания компактных аккумуляторных систем.

При производстве HDC2010 калибруется до 0,2°C точности измерения температуры и 2% измерения относительной влажности. Датчик включает в себя нагревательный элемент для исключения возникновения конденсата и влаги на измерительном элементе. HDC2010 поддерживает работу в температурном диапазоне -40…125°C и 0…100% относительной влажности. Также стоит отметить, что возможно использование и других датчиков семейства HDC от Texas Instruments, однако HDC2010 обладает самым миниатюрным корпусом.

Xарактеристики датчиков семейства HDC приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики датчиков влажности семейства HDC

Параметр HDC2010 HDC2080 HDC1010 HDC1080
Точность измерения относительной влажности, % ±2 ±2 ±2 ±2
Диапазон измерения относительной влажности, % 0…100 0…100 0…100 0…100
Точность измерения температуры, °C ±0,2 ±0,2 ±0,2 ±0,2
Диапазон питающих напряжений, В 1,62…3,6 1,62…3,6 2,7…5,5 2,7…5,5
Средний ток потребления при 1 выб/с, мкА 0,55 0,55 1,2 1,2
Коммуникационный интерфейс I²C I²C I²C I²C
Диапазон рабочих температур, °C -40…125 -40…125 -40…125 -40…125
Корпус, габариты, мм 6DSBGA,
1,5×1,5
6WSON,
3×3
8DSBGA,
2,04×1,59
6WSON,
3,00×3,00

На основе датчика HDC2010 компания Texas Instruments выпустила модуль HDC2010METER-EVM (рисунок 3), прекрасно подходящий для решений умного дома, систем аварийного оповещения о задымлении и повышении температуры, систем вентиляции и кондиционирования, коммуникационного оборудования и прочего.

Рис. 3. Внешний вид модуля HDC2010METER-EVM

Рис. 3. Внешний вид модуля HDC2010METER-EVM

HDC2010METER-EVM имеет размеры 46,48×36,83 мм и отлично подходит для создания малогабаритных систем мониторинга. Помимо датчика HDC2010, модуль включает в себя микроконтроллер MSP430FR5969, который взаимодействует с датчиком по I²C и отображает результаты измерения посредством протокола SPI на TFT-LCD LSO13B7DH03 с ультрамалым энергопотреблением (50 мВт в старой и 130 мВт в новой версиях дисплея). Питание модуля осуществляется от батарейки 3 В CR2032 с номинальной емкостью 225 мА⋅ч. Также на модуле расположен осциллятор 32-kHz FC-135 32.7680KA-A3 (рисунок 4).

Рис. 4. Блок-схема модуля HDC2010METER-EVM

Рис. 4. Блок-схема модуля HDC2010METER-EVM

MSP430FR5969 – 16-битный микроконтроллер семейства FRAM-контроллеров производства компании  Texas Instruments, входящий в линейку ValueLine. Микроконтроллеры MSP430FR5969 применяют фоннеймановскую архитектуру с единым адресным пространством для команд и данных (рисунок 5).

Рис. 5. Блок-схема MSP430FR5969

Рис. 5. Блок-схема MSP430FR5969

Контроллер MSP430FR5969, как и все семейство MSP430FR, имеет ряд достоинств:

  • RISC-архитектура процессора с сокращенным набором команд. К особенностям данной архитектуры относятся: архитектура «регистр-регистр», простые способы адресации, простые команды и большой регистровый файл.
  • Наличие пяти режимов энергосбережения. Для экономии энергии и уменьшения величины потребляемой мощности семейство микроконтроллеров MSP430FR использует пять режимов энергосбережения: LPM0, LPM1, LPM2, LPM3 и LMP4.
  • FRAM-память – память со сверхмалым потреблением, высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом циклов перезаписи. Память FRAM сочетает в себе функции Flash- и SRAM-технологий. Она энергонезависима, обладает высокой скоростью записи и малым энергопотреблением, ресурсом записи циклов, улучшенным кодом и безопасностью данных в сравнении с Flash или EEPROM, а также повышенной устойчивостью к радиации и электромагнитным излучениям.

В микроконтроллер MSP430FR5969 интегрирована производительная аналоговая периферия, включающая в себя 12-битный АЦП с источником опорного напряжения и 16-входовый аналоговый компаратор. Для взаимодействия с внешними устройствами на микроконтроллере предусмотрены интерфейсы UART, SPI, I²C, а также модулятор IrDA для применения в интерфейсах обмена данными с использованием инфракрасного излучения. UART и I²C могут быть применены для программирования или обновления программного обеспечения контроллера при помощи загрузчика BSL. Все выводы GPIO поддерживают технологию реализации емкостных сенсоров CapTouch. Более подробные характеристики микроконтроллера отражены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики MSP430FR5969

Характеристика Значение
Частота тактирования, МГц 16
Объем FRAM-памяти, кбайт 64
Объем SRAM-памяти, кбайт 2
Количество выводов GPIO 40
Количество интерфейсов 1 I²C, 3 SPI, 2 UART
Количество каналов DMA 3
АЦП 12-битный, 16 каналов
Количество входов аналогового компаратора 16
Количество 16-разрядных таймеров 5
Диапазон рабочих температур, °C -40…85

Схема подключения датчика HDC2010 к микроконтроллеру MSP430FR5969 показана на рисунке 6.

Рис. 6. Схема подключения датчика влажности HDC2010 к микроконтроллеру MSP430FR5969

Рис. 6. Схема подключения датчика влажности HDC2010 к микроконтроллеру MSP430FR5969

Модуль HDC2010METER-EVM поставляется с предварительно загруженной прошивкой, что позволяет начать работу сразу же после подключения батареи питания.

Устройство оснащено тремя кнопками:

  • кнопка S1 – RESET;
  • кнопка S2 переключает формат температуры на дисплее (градусы Цельсия или градусы Фаренгейта);
  • кнопка S3 программируется пользователем самостоятельно.

Конструктивные особенности

Основа данного решения – достижение минимальных параметров энергопотребления в наиболее компактном форм-факторе. Выбранные компоненты прекрасно подходят для этой цели, однако стоит учесть ряд аспектов.

Система мониторинга напряжения реализована с помощью делителя напряжения (резисторы R4, R5, рисунок 7). Можно контролировать разряд батареи с помощью АЦП и прогнозировать оставшееся время ее работы. Разряд батареи можно показывать вместе с результатами измерения температуры; однако, это потребует изменения пошивки микроконтроллера.

Рис. 7. Принципиальная схема устройства

Рис. 7. Принципиальная схема устройства

Данное напряжение (VCCMonitor) вычисляется по формуле 1:

$$VCC_{Monotor}= \frac{R_{5}\times VCC}{R_{4}+R_{5}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Также система имеет в составе полевой транзистор (обозначен на схеме Q1) для защиты от подключения батареи в обратной полярности. Кроме того, стоит отметить, что хотя потребление системы в неактивном режиме четко определено суммированием токов каждой части, доступной в паспорте на компонент, для активного режима данная характеристика не так очевидна.

Транзакции, влияющие на энергопотребление в активном режиме:

  • MSP430FR5969 просыпается из-за прерывания от таймера A;
  • MSP430FR5969 связывается с HDC2010 через I²C;
  • MSP430FR5969 расшифровывает информацию, полученную от HDC2010;
  • MSP430FR5969 связывается с LCD через SPI для отображения данных.

После этих операций микроконтроллер возвращается в режим ожидания (LPM4), HDC2010 – в режим сна, а ЖК-дисплей – в режим малого энергопотребления. Во время транзакций в активном режиме система потребляет 0,80…1,40 мА. Цикл активного режима происходит примерно каждые 2 секунды, что соответствует 1800 циклам в час. Транзакции в активном режиме занимают около 100 мс. Потребление системы в неактивном режиме составляет около 130 мкА.

Зная потребление системы в активном и неактивном режимах, можно рассчитать срок службы включенной в цепь батареи (формула 2):

$$T_{сл}\:(час)=\frac{C_{акк}\:(мА\cdot ч)\times t_{акт./ч}}{I_{потр.акт.}\:(мА)}+\frac{C_{акк}\:(мА\cdot ч)\times t_{неакт./ч}}{I_{потр.неакт.}\:(мА)},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где Tсл – срок службы батареи, Сакк – емкость аккумулятора, tакт/ч – доля активного режима в течение часа, tнеакт/ч – доля неактивного режима в течение часа, Iпотр.акт. – ток потребления в активном режиме, Iпотр.неакт. – ток потребления в неактивном режиме.

При указании емкости аккумулятора (в данном случае – емкости литиевой батарейки CR2032) следует учитывать так называемый коэффициент снижения номинальных параметров. Емкость стандартной литиевой батарейки CR2032 составляет 225 мА⋅ч, с учетом коэффициента она составит 85% от данной величины (191,25 мА⋅ч).

Как следствие, срок службы батареи для данной системы составляет (формула 3):

$$T_{сл}\:(час)=\frac{191.25\times 0.05}{1.1}+ \frac{191.25\times 0.95}{0.130}=1406.2\:(час)=58.6\:(дня)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Несмотря на заявленную погрешность измерения влажности величиной в ±2% и погрешность измерения температуры ±0,2°С, для того чтобы достигнуть такой точности на практике, необходимо на этапе проектирования учитывать целый ряд конструктивных и схемотехнических особенностей. Рекомендации, предлагаемые Texas Instruments по данному вопросу, изложены в документе «SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors», а также в статье «Измерение влажности – как повысить точность?».

Программное обеспечение

Как уже упоминалось ранее, в комплекте с HDC2010METER-EVM идет программный пакет, который содержит проект Code Composer Studio (CCS), предназначенный для микроконтроллера MSP430FR5969 (данный пакет уже зашит в микроконтроллер). Для работы с проектом необходимо импортировать файл CCS в CCS v7.3 или более позднюю версию с компилятором TI v16.9.4.LTS или более новым.

Алгоритм работы, заданный данным проектом, следующий:

После сброса или перезагрузки питания происходит несколько аппаратных инициализаций. По умолчанию все контакты GPIO установлены как выходы и притянуты к нулю для сохранения заряда батареи. Выводы, которые будут задействованы, впоследствии будут настроены нужным образом. Внутренний генератор микроконтроллера, известный как DCO, установлен на частоту 8 МГц и соединен с внутренними SMCLK (модулем дополнительного тактирования) и MCLK (модулем основного тактирования). Внешний кварцевый резонатор 32 кГц соединен с низкочастотным осциллятором LFXT, который в свою очередь установлен как источник для ACLK-сигнала (вспомогательное тактирование). Таймер A настроен как счетчик с ACLK в качестве источника тактирования. Число 32768 в данном случае эквивалентно одной секунде, число 16384  приравнивается к половине секунды, и так далее. Модуль eUSCI_B0 микроконтроллера настроен для связи с HDC2010 по I²C, а eUSCI_A1 – для связи с дисплеем по SPI.

После начала цикла выполнения программ каждая итерация микроконтроллера начинается с проверки состояния кнопки S1 и установки переменной в размерность Цельсия или Фаренгейта. Затем выполняется транзакция по I²C, чтобы дать команду HDC2010 начать измерение температуры и влажности. Во время этого измерения, занимающего несколько миллисекунд, MSP430FR5969 установлен в режим LPM4. После того как от датчика получены показания температуры и влажности, таймер инициирует прерывание. Значения температуры и влажности преобразуются в символы с помощью библиотеки tmpdecode.c. Эта библиотека предназначена для преобразования строк без потери 16-разрядной точности, но ее можно настроить и для меньшей точности. Наконец, значения температуры и влажности отображаются на дисплее, и MSP430FR5969 возвращается в режим LPM4 до старта следующего цикла через две секунды. Блок-схема данного алгоритма отображена на рисунке 8.

Рис. 8. Блок-схема алгоритма работы HDC2010METER-EVM

Рис. 8. Блок-схема алгоритма работы HDC2010METER-EVM

Рекомендации по трассировке печатной платы

При трассировке печатной платы устройства с применением датчиков семейства HDC стоит учитывать ряд особенностей:

  • Для минимизации тепловой проводимости и тепловой емкости при использовании датчиков вывод DAP необходимо распаивать на контактную площадку, не подключенную к земляному полигону. Также данная контактная площадка не должна иметь переходных отверстий. Кроме того, не стоит располагать датчики на нижней стороне печатной платы. Рекомендуется изолировать датчик влажности от остальной части печатной платы, устранив слои меди под устройством (GND, VDD) и создав слот в печатной плате вокруг датчика для повышения теплоизоляции (рисунок 9).

Рис. 9. Контактная площадка под HDC-датчик

Рис. 9. Контактная площадка под HDC-датчик

  • Следует избегать маршрутизации высокочастотных сигналов вблизи аналоговой сигнальной линии. Например, следует располагать цифровые сигналы, такие как PWM или JTAG, подальше от цепи генератора. При создании посадочного места для датчика и добавлении его в библиотеку рекомендуется применять тип контактных площадок без перекрытия паяльной маской NSMD (non-solder-maskdefined).Следует использовать дорожки минимальной длинны при подключении внешнего кристалла для уменьшения паразитной емкости (рисунок 10).

Рис. 10. Контактная площадка под HDC-датчик

Рис. 10. Контактная площадка под HDC-датчик

  • Не рекомендуется располагать массивные объекты, такие как экраны, кнопки, винты и так далее ближе чем в 5 мм от датчика.

Для достижения наилучшего выравнивания датчика при пайке следует использовать симметричный рисунок подходящих линий PCB и, в случае необходимости, выводить проводники, в том числе – и от неиспользуемых контактных площадок. Так как энергопотребление датчиков семейства HDC достаточно мало, то для уменьшения теплопроводности системы следует создавать проводники питания (VDD и GND) минимальной ширины.

Заключение

Обладающие малыми габаритными размерами и имеющие малое энергопотребление датчики влажности и температуры серии HDC (в частности, HDC2010) производства компании Texas Instruments дают возможность выполнять замеры относительной влажности с погрешностью ±2% и температуры – с погрешностью ±0,2°С. Благодаря этому, в совокупности с малопотребляющей серией микроконтроллеров MSP430FRxx, датчики серии HDC позволяют создавать устройства, применяемые в самых разных приложениях, таких как системы умного дома, дымовые и тепловые сигнализации, системы вентиляции и кондиционирования, коммуникационное оборудование и так далее. В то же время широкая поддержка от Texas Instruments, включающая в себя примеры программного обеспечения, референс-дизайны и тематические ленты на форумах позволяют максимально упростить и ускорить процесс создания собственных систем мониторинга.

Литература

  1. HDC2010EVM User’s Guide;
  2. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors;
  3. Humidity Sensor: Storage and Handling Guidelines;
  4. MSP430 System-Level ESD Considerations.
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
HDC2010METER-EVM (TI)
HDC2010YPAR (TI)
HDC2010YPAT (TI)
HDC2010EVM (TI)
HDC2080DMBT (TI)
HDC2080DMBR (TI)
HDC2080EVM (TI)
HDC1010YPAT (TI)
HDC1010EVM (TI)
HDC1010YPAR (TI)
HDC1080DMBT (TI)
HDC1080EVM (TI)
HDC1080DMBR (TI)
MSP430FR5969IRGZR (TI)
MSP430FR5969IRGZT (TI)
MSP430FR59691IRGZR (TI)
MSP430FR59691IRGZT (TI)