湿度传感器hs1101 组成电容式湿度传感器的基本元件与材料详解

发布时间：2024-11-24 06:11:24

组成电容式湿度传感器的基本元件与材料详解

电容式湿度传感器，是湿度传感器中常用的一种仪器，它是以高分子湿度湿敏电容器为基本感湿元件，此类湿敏元件实际上是一种吸湿性电解质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器，感湿材料为聚酰铵树脂，酰根纤维素和金属氧化物如AL2O3等。利用单片机对测量结果进行分析处理、显示和远距离传输，测量准确度达±2.5%。主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。它由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构成的两个电容成串联连接。

湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小(电容量通常在48～56pf间)。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1v的线性变化。

国外厂家比较优质的湿度传感器产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极，金的原度控制在70Um 左右，以保证水蒸汽顺利通过.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%湿敏电容与相对湿度关系图。

线性度较好，重复性好，滞后小，反应快，尺寸小，能在-10℃-60℃湿度环境下使用。但同时存在质量问题，稳定性不理想，由于容值在单位级变化，1%RH为0.3PF,容值小的漂移就容易造成%RH值的突变，一般在控制领域使用电容式湿敏传感器都需要慎重考虑。

深圳市工采网从国外进口了几款电容式湿度传感器高新技术成果，顶尖级电容式湿度传感器，现在小编给大家详细的分析一波性能参数。

法国Humirel 电容式湿度传感器 - HS1101LF

电容式湿度传感器 - HS1101LF

电容式湿度传感器HS1101LF是一款电容式相对湿度传感器，湿敏传感器HS1101/HS1101LF传感器基于独特工艺设计的湿敏电容元件。全互换性，在标准环境下不需校正，长时间饱和下快速脱湿，可以自动化焊接，包括波峰焊，高可靠性与长时间稳定性，专利的固态聚合物结构，可用于线性电压或频率输出回路，快速反应时间快。应用于温湿度仪表，办公室自动化，汽车驾驶室空气控制，家用电器，工业过程控制系统等领域。

电容式湿度传感器HS1101LF 特点：

无铅

可靠性高，长期稳定性好

专利的固态聚合物结构

适合线性电压输出或频率输出电路

快速响应，低温度系数

互换性好，标准条件下无需重新校正

长期饱和后迅速恢复

适合自动化装配，包括无铅波峰焊和回流焊

个体标识，方便追溯

可蒸馏水清洗

电容式湿度传感器HS1101LF 技术参数：

基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构

高精度：±2%RH，极好的线形输出

宽量程：1~99%RH，宽工作温度范围 –60~140℃(HS1101LF),–40~100℃(HS1101)

湿度输出受温度影响极小，常温使用无须温度补偿

响应时间 5秒，抗结露，浸水或结露后10秒钟迅速恢复

抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体物质

长期稳定性及可靠性，年漂移量 0.5%RH/年

互换性好

电容与湿度变化 0.31pf/%RH(HS1101LF)，0.3431pf/%RH(HS1101),典型值180pf@55%RH

法国Humirel 电容式温湿度传感器 - HTF3226LF

电容式温湿度传感器 - HTF3226LF

电容温湿度传感器HTF3226LF 基于HS1101/HS1101LF的频率输出湿度模块，适用于需要精确可靠检测相对湿度的OEM用户，有很小的易于安装的接头，可以非常节省成本的机械自动安装。由于它是线性的频率输出湿度检测模块，因此可以直接与微处理器相接。该模块另外带10KΩ+/-3% NTC 温度传感器用于温度测量。应用于温湿度仪表，环境湿度检测，家电行业，OA设备等领域。

电容温湿度传感器HTF3226LF 特性：

采用专利电容HS1101/HS1101LF设计制造

宽量程：10~95%RH，稳定，比例线性的频率输出

精度±5%RH ，工作温度范围 –30~80℃

温度特性好

高可靠性与长时间稳定性

低成本

基于ZigBee—WSN的温湿度监测系统

摘要：针对环境监测系统布线复杂、数据的实时性和准确性低等问题，提出了一种基于ZigBee技术的分布式传感器网络平台。选用SHT75传感器实现对监测点温湿度信息的精准采集，并通过由CC2530芯片和CC2591射频前端组建的ZigBee网络完成数据的远距离传输和汇聚。数据经过阈值比较，可以进行声光报警或GSM短信报警。同时，采集的温湿度信息将通过Z-ScnsorMonitor软件在PC端实时显示和存储。本系统提高了数据的实时性和可靠性，降低了环境监测成本。

引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为物联网的一种未梢网络和感知延伸层，已经广泛应用于汽车电子、工业控制、家庭自动化和环境监测等领域。然而，现有的环境监测系统往往存在通信距离短、覆盖面小、数据准确性低、设备体积庞大等缺陷。同时，由于监测点大部在野外、机房、企业排污点等无人值守的地方，需要工作人员定期到现场检查设备的运行状态并维护，因此数据的实时性和故障排除的及时性得不到保证。鉴于此，本文设计了一种基于ZigBee技术的分布式传感器网络(DSN)平台，采用分布式采集，集中式管理策略，并以采集环境温湿度信息为例，实现了远距离的实时温湿度精准采集。

1 系统总体结构和功能

系统采用模块化设计思想，根据无线传感器网络的系统架构定义了传感器节点、汇聚节点(协调器和路由器)和管理节点等三类功能单元，系统总体结构如图1所示。传感器节点根据监测需要分布在不同地点，具有小巧、可移动和自适应等特性。无线传输网络负责对采集的数据进行实时传输、路由中继和汇聚等，包括ZigBee无线传感器网络和GSM移动通信网络。管理节点可以采用手机、PDA、嵌入式处理器或PC机等，这里采用PC机接收监测点信息，并提供人机交互操作接口，实现环境数据的实时显示和存储；采用手机终端实现异地监控和报警。

2 系统硬件电路设计

2．1 无线传输单元

无线传输单元是系统设计的核心，采用CC2530芯片作为系统的MCU，它是TI公司针对2．4GHz ISM频段推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802．15．4协议的片上系统集成芯片。CC2530内部集成了增强型的8051内核，8路输入的12位ADC以及看门狗定时器等，故只需很少的外围电路即可构建一个简单的ZigBee节点。其中，必备的外围电路包括晶振电路、电源电路、复位电路、无线收发电路等。由于技术相对成熟，这里不再赘述，可参看参考文献。

为保证网络的传输质量，扩大网络的覆盖面积，选用TI公司的高性价比、高集成度的2．4 GHz射频前端CC2591。它适合于低功耗、低电压的无线传输系统。CC2591内部集成的功率放大器(PA)输出功率可达+22dBm，保证了信号的大功率输出；同时，还集成了接收灵敏度为6 dB的低噪声放大器(LNA)。基于以上特性，采用CC2591射频前端的ZigBee节点在无障碍情况下的传输距离可达500～800m，是原来距离的10倍以上，网络覆盖面积大大增强。CC2530芯片与CC2591射频前端的硬件连接图如图2所示。

使用CC2591的4个数字引脚PAEN、EN、HGM、RXTX控制芯片的状态。接收信号时，当HGM=1采用高增益模式，增益为11dB；HGM=0采用低增益模式，增益为1 dB；发射信号时，无论HGM为1或0或悬空，信号均放大。另外，CC2591的RF_P、RF_N引脚须与CC2530的RF_P、RF_N对应连接，保证RF_P、RF_N在发送期间能从功率放大器输出正／负向射频信号，在接收期间能输入正／负向射频信号到低噪声放大器。

2．2 数据采集单元

传统温湿度采集往往采用温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101相结合的方式，存在数据融合算法复杂、准确性低等缺点。采用基于CMOSens技术的新型数字式温湿度传感器SHT75不仅提高了数据采集的精度，而且保证了系统的长期稳定性。其相对测湿精度为±1．8％RH，而在25℃时的测温精度可以达到±0．3℃，因此特别适合于特殊环境下温湿度的精准采集。

SHT75采用4引脚单排直插式封装，供电范围为2．4～5．5 V，温湿度采集电路电路如图3所示。DATA引脚为双向的串行数据收发引脚，可以接CC2530的任意GPIO实现数据通信，这里连接引脚P0_3。另外，为避免信号冲突，CC2530应采用低电平驱动DATA引脚，故连接了一个10 kΩ的上拉电阻，当CC2530输出低电平时，将信号拉至高电平驱动DATA引脚。SCK为串行时钟输入引脚，连接至CC2530的P0_2引脚实现同步通信，控制读出温湿度数据。

鉴于CC2530最小系统的可拓展件，每个传感器节点可以连接1～3个传感器。同时，为了便于CC2530和GPIO的数据传输，所有ZigBee节点的应用程序必须保证多个数据链路，而两个对等ZigBee节点间则使用同一无线信道来和多个接口创建虚拟链路，以降低系统的成本。

2．3 报警单元

系统的报警单元采用声光报警和远程短信报警相结合的方式，确保报警的及时准确，无漏警。

对于声报警电路，鉴于无源蜂鸣器的频率可调，系统采用无源蜂鸣器实现温湿度的区别报警。由于CC2530的I／O引脚电流最大只有20 mA，驱动能力有限，故采用一个PNP型三极管8550放大电流来驱动蜂呜器。当温湿度超过安全阈值时，通过特定程序对外输出不同频率的驱动方波，发出不同报警信号。光报警电路采用普通发光二极管即可实现，其正极通过限流电阻接3．3 V电源，确保灌电流不超过MCU的允许值，负极可直接接到CC2530的GPIO。声光报警电路如图4所示，两者相互配合，可以更好地实现温湿度的区别报警。

另外，为实现系统的远程异地监控和报警，在协调器节点增加GSM短信报警单元。选用德国西门子公司的TC35i模块，它能够支持中文短信，工作在GSM 900MHz和GSM 1800 MHz双频段；模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。它的数据输入／输出接口实际上是一个串行异步收发器，其18引脚RXD、19引脚TXD均为TTL电平的串口通信引脚，分别连接到CC2530的GPIO即可实现串口数据的收发。使用时只需通过CC2530发送AT指令即可控制TC35i进行短信报警。

3 系统软件设计

3．1 数据采集程序

SHT75的内部前端集成有I2C总线，故数据采集程序需完全按照I2C总线的通信协议进行即CC2530的采集指令和接收指令均应遵照SHT75的时序编写。CC2530向SHT75发送的测温命令为00000011、测湿命令为00000101，所有数据均从MSB开始。在测量和通信结束后，SHT75自动转入休眠模式。

传感器采集的温湿度数据可以通过串口调试助手SComAssistant在PC端显示，图5为SHT75采集数据。可以看出，当前环境的相对湿度范围为49．5～50．1％RH，温度为25．4～25．7℃，数据稳定可靠，误差可控，可以完成对温湿度信息的精准采集。

3．2 ZigBee-WSN软件设计

ZigBee网络的建立和运行是整个无线传感器网络系统的关键，关系到数据的可靠性和系统的稳定性。整个系统的工作流程如图6所示。

系统上电后，首先进行硬件初始化和网络初始化。CC2530采用ZigBee2007协议栈，该协议栈的初始化可由TI公司提供的Z-Stack完成，Z-Stack是一种轮转查询式操作系统，能够完成硬件初始化、网络初始化等绝大部分功能。ZigBee网络的建立实际上是通过协调器与其子节点的“绑定”实现的，首先由协调器通过网络层函数NLME_NetworkFormationRequest建立网络，并通过zb_AllowBind函数进入允许绑定模式。子节点发出绑定请求zb_BindDevice后，协调器建立绑定表并响应绑定请求，绑定成功即意味着通信建立。当其他节点加入网络时执行相同步骤，并不断更新绑定表。绑定表中包含了节点的16位网络地址、64位IEEE地址和端口号。网络地址用于路由机制和数据传输，而IEEE地址才是节点的唯一标识。ZigBee网络建立过程如图7所示。

系统初始化完毕后，前置节点便开始采集数据。数据经无线网络传输和汇聚将在PC端实时显示，阈值比较后可以进行声光报警和短信报警。

3．3 管理节点软件

管理节点选择TI公司配套的Z-SensorMonitor软件，它可以形象地显示网络的拓扑结构和各节点的状态信息。另外，Z-SensorMonitor提供了数据存储和恢复功能，能将十六进制数据输出到后缀为．log的文本中，并加入时间戳，便于今后对系统状态的调阅和再现。故采用Z-SensorMonitor能实时地显示各监测点的温湿度情况以及整个网络的运行状况，图8为实验过程中采集到的实时网络状态信息。

结语

通过对该无线传感器网络系统进行功能测试发现，SHT75传感器节点能准确地采集到监测点的温湿度信息，数据符合监测点的实际情况。经过ZigBee无线传感器网络和GSM移动通信网络传输后，数据稳定可靠，达到了远距离、大范围的实时温湿度精准采集要求。

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基于ZigBee—WSN的温湿度监测系统

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