CN203824578U - 一种数字温湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及数字传感器领域，所要解决的技术问题是克服现有技术上述的缺陷，提供一种小型化，精度高，且具有标准数据输出的数字温湿度传感器。其结构包括：热敏电阻；湿敏电阻；单片机电路；电路基板，电路基板上设有电气和通讯接口；和外壳；其改良之处在于，所述湿敏电阻为高分子湿度传感器，其结构包括陶瓷基板、高分子感湿膜、插指电极和与单片机电路连接的引脚，所述插指电极分成分布在陶瓷基板上，感湿膜涂覆在含有插指电极的陶瓷基板上，插指电极分别引出连接引脚的两个电极；所述外壳上开设有若干窗口。将温度和湿度的模拟电阻信号转化为标准的数字信号输出，大大简便了环境温度和湿度的检测。

Description

一种数字温湿度传感器

技术领域

本实用新型涉及数字传感器领域，更具体的说是一种小型化的数字温湿度传感器。

背景技术

传统的湿度测量技术有：毛发湿度计、干湿球温度计、模拟量输出的湿度模块等。这种湿度测量技术有下述缺点：测量精度低，显示不直观，转换麻烦。如干湿球温度计是根据湿球温度计所指示的温度，和干球温度计所指示的温度形成的温度差，后根据这个温度差和干球温度，再从仪器所附的对照表中查出周围气体的相对湿度。这些缺点所带来的问题是这些传感器不符合电子产品的小型化、数字化、标准化、集成化的发展趋势。

由于现有技术上述缺陷的存在，使需要有专门的MCU和转换程序来配合湿度传感器使用，湿度传感器进行调试和初始化十分麻烦。由此导致湿度传感器功能单一，无法与其他传感器实现集成，对于需要采用多个湿度传感器的设备，这导致了大量的浪费，也给设备的调试和安装带来极大的麻烦。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术上述的缺陷，提供一种小型化，精度高，且具有标准数据输出的数字温湿度传感器。

本实用新型通过以下技术方案实现上述目的。

本实用新型所设计的数字温湿度传感器，其结构包括：用于感应环境温度的热敏电阻；用于感应环境湿度的湿敏电阻；用于将热敏电阻和湿敏电阻的电气阻抗转化成环境的温度和湿度数字信息并输出的单片机电路；用于支撑电子元件的电路基板，电路基板上设有电气和通讯接口；用于封装上述结构的外壳；所述湿敏电阻为高分子湿度传感器，本案申请人在2011年05年25日申请的发明专利，专利号201110136577.1，名称为：耐湿热湿敏树脂与耐湿热高分子电阻型湿敏膜及其制备方法，该技术提供了一种新型的电阻型湿敏电阻膜，用该材料制作的高分子湿度传感器具有具有较宽的响应区间，较高的响应灵敏度和响应迅速等优点。湿度传感器的具体结构包括陶瓷基板、高分子感湿膜、插指电极和与单片机电路连接的引脚，所述插指电极分成分布在陶瓷基板上，感湿膜涂覆在含有插指电极的陶瓷基板上，插指电极分别引出连接引脚的两个电极；所述外壳上开设有若干窗口。插指电极的结构能够进一步提高湿度传感器的精度和灵敏度，分别对热敏电阻、湿敏电阻进行采样测量，通过A/D采样的方法。单片机电路将热敏电阻和湿敏电阻的电气阻抗转化成当前环境的温度和湿度，实现了标准化数据输出，能够实现即插即用功能，大大减小外围电路的设计。该产品应用于不同产品上的时候，产品电路设计上只需留有数据标准结构，直接将该产品插入即可使用，无需对整体电路进行重新设计，大大提高了设备设计的灵活性，提高其拓充能力。而且在使用的过程中，如需对某个数字温湿度传感器进行调试或更换，可以直接将其拔下，单独对该传感器进行调试或者直接更换新的传感器，从而保证了设备的快速维护或维修。

为了简化该数字温湿度传感器的结构，标准化接口，所述电气和通讯接口至少包括电源引脚、接地引脚和串行单总线引脚。设备与该传感器用一根数据线进行通信与同步，使得接口进一步简化，设备的接口电路更加简单，更容易实现标准化。

为了进一步提高湿度传感器的精度和灵敏度，所述插指电极包括一连接引脚的主干和分布在主干一侧上的若干分支，通过主干连接不同引脚的分支相对交错设置，不相互连接。

上述湿敏电阻的结构使本实用新型能够进一步集成热敏电阻，为了合理分布电路，在提高集成度的同时不降低湿敏电阻的精度和灵敏度，所述湿敏电阻设置在电路基板的一侧面，所述热敏电阻和单片机电路设置在电路基板的另一侧面，所述外壳上的窗口至少设置在湿敏电阻一侧。

为了便于小型化结构的生产，提高生产效率和降低成本，所述外壳包括相互对扣的第一壳体和第二壳体，所述窗口至少分布在第一壳体上，窗口之间设有第一壳体和第二壳体之间的扣接件。

所述窗口作为湿敏电阻的感应窗口，应尽量分布多且均匀，因此本实用新型优选所述窗口至少包括设置在第一壳体中间的三列窗口和横向分布的三排窗口，横向分布的三排窗口至少一排与其他排相间设置，其之间设置扣接件。更为优选的方案是使所述窗口分布至第一壳体边缘，并使设置在第一壳体边缘的窗口，其开口延伸至第一壳体的侧壁。

本实用新型基于耐湿热湿敏树脂与耐湿热高分子电阻型湿敏膜的基础上开发的数字温湿度传感器，具有能够即插即用的特点，采用该产品的设备只需通过标准结构与其对接，即能够获得数字化后的湿度和温度新型，具有极高的通用性，且大大降低设备的设计、调试和维修等成本。本实用新型还通过简化接口、缩小体积等技术改进，使在不损失测量的精度和灵敏度的前提下，提高产品的适应能力，降低成本，使该产品能够大量应用于现有多数设备中。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为实施例的内部结构示意图。

图3为实施例的电路原理图。

图4为实施例的使用状态电路原理图。

图5为图4的通讯原理图。

具体实施方式

以下结合上述附图举例对本专利做进一步的说明。实施例用于示例说明所采用的上述附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示的一种数字温湿度传感器，封装于外壳100内，电气和通讯接口200从外壳100内引出，所述电气和通讯接口200为标准接口，包括电源引脚VCC、接地引脚GND和串行单总线引脚SDA，以及一个备用的空引脚NC。所述外壳100包括相互对扣的第一壳体和第二壳体，所述窗口110包括设置在第一壳体中间的三列窗口和横向分布的三排窗口，横向分布的三排窗口最低一排与其他两排相间设置，其之间设置扣接件。所述窗口110分布至第一壳体两侧和上边缘，设置在第一壳体边缘的窗口111，其开口延伸至第一壳体的侧壁。

该数字温湿度传感器内部的电路结构如图2所示，包括：用于感应环境温度的热敏电阻；用于感应环境湿度的湿敏电阻400；用于将热敏电阻和湿敏电阻的电气阻抗转化成环境的温度和湿度数字信息并输出的单片机电路；和用于支撑电子元件的电路基板300，电路基板上设有电气和通讯接口200。所述湿敏电阻400设置在电路基板300的一侧面，所述热敏电阻和单片机电路设置在电路基板300的另一侧面（图中未示出），所述外壳100上的窗口100设置在湿敏电阻400一侧。所述湿敏电阻400为高分子湿度传感器，其结构包括陶瓷基板、高分子感湿膜410、插指电极420和与单片机电路连接的引脚430，插指电极420分布在陶瓷基板上，所述感湿膜410覆盖在含有插指电极420的陶瓷基板上，插指电极420分别引出连接引脚430的两个电极；所述插指电极420包括一连接引脚430的主干和分布在主干一侧上的三个分支，通过主干连接不同引脚430的分支相对交错设置，不相互连接。

该实施例的电路原理如图3所示，其中湿敏电阻用于感应环境空气的湿度，具有交流阻抗特性；热敏电阻用于感应环境的温度，具有纯阻抗特性；单片机电路（MCU）则对湿敏电阻、热敏电阻所呈现的阻抗参数进行采样，并转化成数字信号输出。该数字温湿度传感器具有可靠性高、测量精度好、性能稳定、使用便利等优点。成本极具优势，极高性价比，生产简便，可以海量应用在需要温度湿度检测的场合。MCU分别对热敏电阻、湿敏电阻进行采样测量，通过A/D采样的方法，将热敏电阻和湿敏电阻的电气阻抗转化成当前环境的温度和湿度。更佳地，所述湿度转化可以采用多点标定、分段线性插值的方法，对全量程的湿度信号进行校准补偿，以达到湿度测量的精度要求。由于不同环境温度会直接影响到相对湿度的测量，MCU还可以将温度系数加入到程序补偿中，通过合理的温度补偿，消除温度变化对湿度测量的影响。进一步，通过MCU转换成单总线接口协议，便于后端的标准接入，极大降低了该产品的应用门槛。

以下为上述实施例的性能指标和应用实例。

该实施例是一款含有已校准数字信号输出的温湿度一体的传感器，使用高分子湿敏电阻作为传感元件，经过MCU的采集处理转化成数字信号输出，具有长期稳定、可靠性高、精度高、低功耗等特点，不受电源噪音及电压波动等干扰影响，广泛应用于暖通自动控制、机房监控、医疗等领域。

具体的参数是：

供电电压  DC  3.0V —5.5V（推荐5V）

测量精度  温度：±1℃  湿度：±3%RH（at 25℃）

工作温度  -10℃－50℃

测量范围  湿度20%—95%RH  温度 -10℃－50℃

电源功耗  工作：<2.5mA  待机：<2uA（5V）   

数据接口  串行单总线输出  

外型尺寸  12×15.5mm    引脚长9mm    间距2.54mm   

单总线接口定义：

传感器引脚分配

引脚	名称	描述
			1	VDD	电源3.0V—5.5V
2	SDA	串行数据，双向口
			3	NC	空引脚
4	GND	地

其中，电源引脚（VDD GND）供电电压为3.0V—5.5V，SDA引脚为三态结构，用于读、写传感器数据。

使用时，原理图如图4所示。微处理器500与该数字温湿度传感器可以直接的连接。单总线通信模式时，SDA上拉后与处理器的I/O端口相连。典型应用电路中建议连接长度短于30米时使用10K的上拉电阻，进而根据使用距离的长短，调节上拉电阻的大小。读取时间间隔应大于1S；时间间隔过短，可能导致温湿度测量不准。微处理器500与该数字温湿度传感器用一根数据线进行通信与同步。采样输出数据为一帧40bit的数据，高位先出。

数据格式：40bit数据：16bit湿度数据，16bit温度数据，8bit校验和；其中8bit校验和=8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据（进位丢失）。

例如：湿度=56.0%RH，温度=23.0℃时

湿度数据=56（10进制）=00111000（二进制）

温度数据=23（10进制）=00010111（二进制）

工作时微处理器（主机）和数字温湿度传感器（从机）之间的通讯如图5所示：

微处理器（从机）启动信号：主机先拉低总线大于1mS，再释放总线20～40uS，检测从机的应答信号。

数字温湿度传感器（从机）应答信号：该传感器收到启动信号后，先拉低总线80uS应答，再释放总线80uS表示即将进入数据传输。

释放总线80uS，SDA处于高电平后就进入数据传输，每1bit的数据由一个低电平时序和一个高电平组成。每一个低电平时序是一个50uS左右的低电平，表示数据位的起始，紧跟着一个高电平，时间的长度值决定该数据位表示的数值。比低电平时序长的，该数据位表示“1”，比低电平时序短的，该数据位表示“0”。 每一帧数据有40bit数据，当传送完40bit数据后，传感器拉低总线50uS左右，表示传输结束，并释放总线。

其单总线信号特性如下表所示：

符号	参数	Min	Typ	Max	单位
						Tbe	主机起始信号拉低时间	1	2	230	ms
Tgo	主机释放总线时间	20	30	40	us
						Trel	响应低电平时间	75	80	85	us
Treh	响应高电平时间	75	80	85	us
						Tlow	信号“0”“1”低电平时间	48	50	55	us
TH0	信号“0”高电平时间	22	26	28	us
						TH1	信号“1”高电平时间	68	70	75	us
Ten	传感器释放总线时间	45	50	55	us

步骤1：给从机上电，并保持1~5S的稳定时间。此时SDA端口处于输入状态。

步骤2：主机的I/O口设置为输出，输出低电平表示起始信号，并保持时间在2ms左右。接着主机释放总线，等主机释放总线后，从机发送一个以80us的低电平作为响应信号，接着从机释放总线80us左右。如图2中的主机触发、从机应答所示。

步骤3：从机发送完响应信号后，随后数据线SDA将连续串行输出40bit数据，主机根据I/O电平的变化接收这40位数据。

位数据“0”的格式为：50us的低电平，22~27us的高电平；

位数据“1”的格式为：50us的低电平，70us左右的高电平；

格式信号如图5中的bit39与bit38所示。

由于本实施例的湿敏电阻采用高分子材料，其抗污能力和耐高湿能力大大提高，非常适合大批量生产，将成为温度湿度行业不可替代的标准产品；将温度和湿度的模拟电阻信号转化为标准的数字信号输出，大大简便了环境温度和湿度的检测；采用单总线接口协议提高了数据采集的稳定性和抗干扰能力，后端信号传输和转换更为便利。

工作与贮存条件：环境的相对湿度，受温度影响较大，安装时应尽可能的将传感器远离工作温升大的电子元器件，同时保持良好的通风。为了降低热传导，传感器与印刷电路板的连接部分的铜镀层应尽可能小。

避免长期在结露情况下使用。

上述附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数字温湿度传感器，包括：

用于感应环境温度的热敏电阻；

用于感应环境湿度的湿敏电阻；

用于将热敏电阻和湿敏电阻的电气阻抗转化成环境的温度和湿度数字信息并输出的单片机电路；

用于支撑电子元件的电路基板，电路基板上设有电气和通讯接口；

用于封装上述结构的外壳；

其特征在于，所述湿敏电阻为高分子湿度传感器，其结构包括陶瓷基板、高分子感湿膜、插指电极和与单片机电路连接的引脚，所述插指电极分成分布在陶瓷基板上，感湿膜涂覆在含有插指电极的陶瓷基板上，插指电极分别引出连接引脚的两个电极；所述外壳上开设有若干窗口。

2.根据权利要求1所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述电气和通讯接口至少包括电源引脚、接地引脚和串行单总线引脚。

3.根据权利要求1所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述插指电极包括一连接引脚的主干和分布在主干一侧上的若干分支，通过主干连接不同引脚的分支相对交错设置，不相互连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述湿敏电阻设置在电路基板的一侧面，所述热敏电阻和单片机电路设置在电路基板的另一侧面，所述外壳上的窗口至少设置在湿敏电阻一侧。

5.根据权利要求4所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述外壳包括相互对扣的第一壳体和第二壳体，所述窗口至少分布在第一壳体上，窗口之间设有第一壳体和第二壳体之间的扣接件。

6.根据权利要求5所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述窗口至少包括设置在第一壳体中间的三列窗口和横向分布的三排窗口，横向分布的三排窗口至少一排与其他排相间设置，其之间设置扣接件。

7.根据权利要求5所述的数字温湿度传感器，其特征在于所述窗口分布至第一壳体边缘。

8.根据权利要求7所述的数字温湿度传感器，其特征在于设置在第一壳体边缘的窗口，其开口延伸至第一壳体的侧壁。