本
期
内
容
随着科技的不断发展，温湿度传感器在各个领域的应用越来越广泛，为人们的生产和生活带来了更多便利和效益。
本视频将重点介绍温湿度传感器的概念、原理、应用以及纳芯微NSHT30温湿度传感器的特点和优势；同时通过实际应用案例，帮助大家更深入了解温湿度传感器在现实中的应用。
湿度及其测量
湿度是表征含水量的一个参数，以日常生活为例，可以理解为空气中水蒸气的含量。基于度量方法的不同，可以分为绝对湿度和相对湿度。
绝对湿度表征的是水蒸气的绝对浓度，根据度量方法的不同，可以表述为水蒸气压、绝对湿度（1立方米空气中所包含的水蒸气质量）、水蒸气质量浓度、露点/霜点温度等；相对湿度表征的是水蒸气的相对浓度；该参数相对的对象是当前环境能够吸收水蒸气的最大量；同样，根据浓度度量方法的差异，可以描述为生活中常见的相对湿度（实际蒸汽压与饱和蒸汽压的比例）、蒸气压差（实际蒸气压与饱和蒸汽压的差值、露点温度差值（露点温度与环境温度差值）等。
湿度的定义
湿度可以通过一系列方法进行测量，比如传统的毛发湿度计，通过毛发吸收水蒸气形成一定的收缩来测量相对湿度。在工业温箱中，常会用到干湿球法湿度计，通过蒸发使温度降低，以温度差来度量相对湿度。另外，比较常见的高精度测量方法是露点仪，通过控制镜面温度，以光学测量方法寻找当前空气结霜结露的临界温度点来测量湿度。
测量湿度的方式
随着研究的进一步深入，还出现了一些测量湿度的传感器类产品。相比前面那些方法，这类产品在体积或信号处理方面有了较大的改善，测量装置的体积进一步缩小，集成度也更高。随着MEMS技术的发展，还可以将处理电路和敏感源合二为一，形成集成式温湿度传感器。
例如纳芯微的NSHT30就是基于CMOS MEMS工艺的集成式温湿度传感器，其湿度测量的基本原理是电容式测量。在材料吸收水蒸气后，会使介电常数发生变化，通过测量材料电容的方法即可测量相对湿度的变化。
电容式湿度传感器测量原理
电容式湿度测量的敏感材料，可以大致分为无机敏感材料（例如三氧化二铝）和有机敏感材料（例如醋酸丁酯，聚酰亚胺等）。有机材料相比三氧化二铝，在线性度，温度系数上存在显著优势，逐渐取代无机材料，应用于容式湿度传感器中；其中聚酰亚胺材料因其与CMOS工艺兼容性上的优势，在温湿度集成传感器上已成为主流。
用聚酰亚胺材料检测湿度
温湿度传感器的应用场景很广泛，包括消费类的冰箱、洗衣机、空调；工业领域的应用主要是现场温湿度测量和监控；医疗方面的应用，如监控吸氧通道的湿度，提高人体吸氧的舒适度。车载类应用主要是进气歧管、车内空气/空调以及车窗自动除雾应用。
如何用NSHT30测量湿度和温度？
NSHT30是纳芯微推出的集成了温度传感器和湿度传感器的敏感单元的温湿度传感器，片上还集成了模拟前端（AFE）信号放大和线性化处理单元，以及高速率IIC通信接口，以输出测量到的数据。该器件工作电压范围为2V到5.5V，其封装尺寸为2.5×2.5mm，有LGA和DFN两种形式。
集成了温度和湿度传感器的NSHT30温湿度传感器
NSHT30有两种测量模式：单次触发模式和周期触发模式。当需要温湿度数据时，首先通过I2C发送地址并加写0x88（ADDR引脚接地，7Bits IIC地址0x44），然后发送单次触发指令（0x24 0x00）。芯片收到指令后进行温湿度数据测量，等待20ms完成测量；主机再通过I2C发送读方向地址（0x89），然后读取连读6个字节，最后由主机发送Nack STOP结束通信，完成一次测量。
上述6个字节数据分别为两个字节湿度数据（高字节和低字节）和一个字节湿度CRC。温度也是两个字节数据（高字节和低字节），一个字节温度CRC。为了校验通信的数据是否正确，CRC拿到数据后要先进行校验，将湿度数据和温度数据通过CRC运算与CRC数据进行对比。CRC校验完成后，通过温湿度计算公式将数据转换成具体的温度值和湿度值。
周期触发模式测量首先是通过I2C给芯片发送周期测量指令0x27、0x37。这时，芯片是以固定周期进行自动测量。当需要温湿度数据时，只需发送0xE0 0x00数据获取指令就可以随时拿到数据，之后同样需要进行CRC校验和温湿度数据计算。
NSHT30的测量模式
需要注意的是，根据选用的主机不同，会存在大小端的问题。因此，在发送指令和读取数据时，需要注意字节的顺序。
在装配方面需要注意的是：
1
由于湿度传感器的敏感材料需要暴露在待测环境中才能进行测量，所以温湿度传感器与测量环境之间必须具备物理接触通道。
2
温湿度传感器区域和壳体内部需要进行物理隔离，以提高响应速度，降低壳体内部空气对相对湿度测试值的影响。
3
缩小温湿度传感器与壳体之间的区域体积，可进一步提高对待测环境的响应时间，最大程度保证敏感材料更多地接触待测环境，免受内部环境的影响。
4
如果使用环境比较恶劣，有粉尘或水等溅射的风险，可以在壳体开口处增加防水透气膜，防止传感器受到污染或进水而影响正常使用。
湿度响应时间和保护
在温湿度传感器布局方面，为了保证传感器温度与待测环境温度一致，可以从以下三个方向进行改善。
第一个改善方向是：传感器所在位置应尽量接触需要测量的区域。测量区域与传感器之间应避开发热源，以免待测区域的空气经过发热源而发热，导致传感器区域的相对湿度与测量区域的相对湿度不一致。
第二个改善方向是：降低传感器区域的热惯性，提高对空气温度变化的跟随能力。
以下方法可以改善对空气温度变化的跟随能力：一是降低PCB厚度，尽量不焊接中间的热焊盘，或将焊接焊盘与PCB覆铜隔离开来；二是采用独立的小板，通过插针连接主板；三是采用FPC软板连接主板。
第三个改善方向是：降低其他区域温度对传感器所在位置温度的影响，以下是几个基本方法：
一是装配时温湿度芯片应与主板热源之间形成物理隔离，降低空气热传导及热辐射的影响；二是尽量避免阳光直射传感器，降低经热辐射路径传递的热量，避免温度上升；三是将传感器尽量安装在独立的子板上。如果必须安装在主板芯片位置，应使热源尽量远离主板，并在湿度芯片附近开孔，以降低热源经电路板热传导对芯片温度的影响。
温湿度传感器布局
动手操作演示
从温湿度传感器Demo中可以看到，上面是基于SPC设计的MCU板，下面是温湿度传感器的DUT板。首先将温湿度传感器的MCU USB插入电脑USB口，然后打开上位机可执行文件。
Demo硬件
这时可以看到第一个窗口显示的是温湿度数据，左边是图形界面，右边是数据显示界面，右上角是com口选择。
温湿度数据
第二个界面是温湿度传感器配置界面，左边是单模，有高、中、低三个重复率可以选择。高重复率意味着转换时间更长，转换数据的准确率最高。
温湿度传感器ID
分别选择高、中、低，可以看到下面指令的同步切换。右边是周期触发模式，可以选择采样率。采样率共有5个，从0.5MPs直到10MPs，一个MPs代表1秒采一次，0.5MPs是2秒采一次，最高10MPs，1秒采10次。然后与单模一样设置重复率，三种重复率有5种采样率，组合起来是15个指令，选择后可以看到指令的同步切换。右边是读取所有温湿度寄存器的设置，点击可以获取温湿度传感器寄存器数据。
在温湿度传感器ID中，下面是user寄存器、温度传感器报警功能的温度设置，还有湿度高于某个值、湿度高于某个值的报警设置，以及将温湿度值转换成16进制数据，或将16进制数据转换成温湿度值的双向转换。
选中正确的串口打开并开始测试，此时可以看到软件显示的实时温湿度数据。上位机可以保存温湿度数据，点击Excel setting按钮，新建一个Excel表将其命名为DAT。双击DAT，勾选保存按钮，此时采集的温湿度数据会同步保存到设置的Excel文件中。读取完毕打开Excel表，可以看到D列和F列的温度数据和湿度数据，E列和G列也是传感器的温度和湿度数据。
共同探索温湿度传感器应用更多可能性
本文介绍了温湿度传感器的概念、应用、原理以及纳芯微NSHT30温湿度传感器的特点和优势。通过实际应用案例，使用纳芯微的NSHT30进行测量，深入了解了温湿度传感器在实际场景中的应用。此外，还讨论了如何优化温湿度传感器的布局和装配，以提高响应时间和准确性。
凭借高精度、快速响应和集成化设计，纳芯微NSHT30温湿度传感器已成为在市场得到了广泛应用。无论是消费类产品还是工业应用，NSHT30都能提供稳定可靠的温湿度测量，为人们的生活和工作带来极大的便利。
