中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 曹利波

1.引言

救生艙作為井下緊急避難場(chǎng)所，其艙內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，是延長(zhǎng)被困礦工生存的工作之一。為延長(zhǎng)救生艙備用電池的工作時(shí)間，因此要求各用電設(shè)備均低功耗。

SHT75溫濕度傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器在檢測(cè)時(shí)溫度變化對(duì)濕度產(chǎn)生的影響且測(cè)量結(jié)束時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行休眠模式，大大減小系統(tǒng)功耗，因此本文采用SHT75[4]作為井下救生艙溫濕度檢測(cè)傳感器并對(duì)其工作原理、電路以及數(shù)據(jù)的補(bǔ)償進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。

2.SHT75溫濕度傳感器

2.1 SHT75溫濕度傳感器概述

SHT75是一款集溫度、濕度于一體的傳感器，采用CMOSens技術(shù)，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用兩線數(shù)字化接口，可與單片機(jī)直接相連，大大減小了外圍電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 SHT75內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SHT75具有較寬的溫濕度測(cè)量范圍。分別為-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常條件下，則會(huì)導(dǎo)致采集的信號(hào)暫時(shí)性漂移，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校正。在溫度為100～105℃，相對(duì)濕度小于5%RH的條件下保持10小時(shí)即可自動(dòng)校正；或者在溫度為20～30℃，相對(duì)濕度大于75%RH的條件下保持12小時(shí)。

SHT75在默認(rèn)條件下，溫濕度測(cè)量分辨率分別為14bit和12bit，但在高速測(cè)量或者超低功耗情況下，溫度和濕度采樣分辨率可分別下降為12bit和8bit。

2.2 SHT75溫濕度傳感器工作原理

SHT75溫濕度傳感器芯片上設(shè)計(jì)有傳感器穩(wěn)壓電路、信號(hào)運(yùn)算處理電器、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、溫濕度傳感元件、14位AD轉(zhuǎn)換電路和兩線數(shù)字串行接口電路，輸出信號(hào)是經(jīng)過(guò)全量程標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)。以I2C總線的通信方式與單片機(jī)相連，芯片內(nèi)部OPT存儲(chǔ)器保存有校準(zhǔn)系數(shù)。

3.SHT75與MSP430單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)功耗，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)TI公司的超低功耗型號(hào)為MSP430F149的16位單片機(jī)與SHT75溫濕度傳感器相連接[1]，通過(guò)兩個(gè)普通IO口模擬I2C總線與傳感器通信。根據(jù)需要，在救生艙內(nèi)可安裝多個(gè)傳感器掛在IIC總線上。SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接如圖2所示。

圖2 SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接圖

4.溫濕度數(shù)據(jù)檢測(cè)

4.1 SHT75寄存器操作

單片機(jī)通過(guò)模擬I2C總線與SHT75進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)寫入不同的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代碼如表2所示。

表2 SHT75引腳功能及名稱

4.2 溫濕度數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償計(jì)算

SHT75傳感器數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)通過(guò)8bit CRC[5]校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于通過(guò)SHT75檢測(cè)的溫濕度信號(hào)曲線為非線性，因此需要對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：

式中，RHliner表示檢測(cè)的線性濕度值，SORH表示從SHT75中讀取的溫度值，在測(cè)量精度為12bit時(shí)，c1為-4，c2為0.0405，c3為-2.8·10-6；在測(cè)量精度為8bit時(shí)，c1為-4，c2為0.648，c3為-7.2·10-4；

由于溫度對(duì)濕度測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此在所測(cè)溫度點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，補(bǔ)償運(yùn)算公式如式2所示。

式中，RHtrue為實(shí)際測(cè)量的相對(duì)濕度值，ToC為實(shí)際測(cè)量的溫度值，在測(cè)量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00008；在測(cè)量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00128；

在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，由于溫度傳感器具有很好的線性，可直接使用式3進(jìn)行處理計(jì)算。

表3 SHT75引腳功能及名稱

式中，ToC為校正后溫度讀數(shù)，SOT為直接讀取的溫度數(shù)據(jù)，參數(shù)d1功能供電電壓有關(guān)，具體如表3所示。

參數(shù)d2在測(cè)量精度為14bit時(shí)，d2為0.01℃或?yàn)?.018℉；在測(cè)量精度為12bit時(shí)，d2為0.04℃或?yàn)?.072℉。

5.結(jié)語(yǔ)

本文基于SHT75溫濕度傳感器及超低功耗的MSP430F149單片機(jī)構(gòu)建井下救生艙的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以較大范圍的監(jiān)測(cè)救生艙內(nèi)溫濕度，體積小、測(cè)量精度高和功耗低等，滿足井下救生艙的特殊要求。

[1]蔣正義,朱善安,韓東芳.基于MSP430和nRF401的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)[J].集成電路應(yīng)用,2004,11:74-77.

[2]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(11:1925-1929.

[3]王建軍,陳光柱,夏曉東.煤礦井下救生艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].煤礦機(jī)械,2011,32(12):13-15.

[4]楊景景,黃亮.數(shù)字式濕溫度傳感器SHT75的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,22(1):31-33.

[5]李柏榕.基于MODBUS的溫度控制器的研究[D].大連交通大學(xué)碩士論文,2009.