Utilice un diminuto sensor de humedad y temperatura para recopilar eficazmente los datos ambientales más importantes

Dado el efecto que tienen la temperatura y la humedad en la integridad estructural de los edificios y los sistemas electrónicos, la capacidad de obtener mediciones precisas y fiables de estos parámetros es fundamental para los diseños de una amplia gama de aplicaciones de consumo, industriales y médicas. Los efectos de la humedad y la temperatura sobre la salud son especialmente preocupantes, ya que los estudios demuestran que las variaciones de estos parámetros tienen efectos que van desde la incomodidad hasta la infección por virus aerosolizados.

La necesidad de detectar la temperatura y la humedad en una gran variedad de aplicaciones es tal que, para satisfacer la demanda, los diseñadores necesitan una solución rentable, de pequeño tamaño y fácil de implementar. Para lograr una larga duración de la batería en lugares remotos o de difícil acceso, las soluciones también deben consumir muy poca energía, manteniendo al mismo tiempo la precisión y la estabilidad necesarias.

Este artículo analiza el impacto de la temperatura y la humedad ambiental en las infraestructuras, los sistemas electrónicos y la salud humana. A continuación, presenta y muestra cómo aplicar un sensor de humedad y temperatura en miniatura de TE Connectivity Measurement Specialties que los diseñadores pueden utilizar para satisfacer más fácilmente los requisitos de medición crítica en una amplia gama de aplicaciones.

La importancia de medir con precisión la humedad y la temperatura

La capacidad de controlar y ajustar con precisión los niveles de humedad y temperatura desempeña un papel fundamental en una amplia gama de áreas, como los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), los equipos de presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP) para la apnea del sueño e incluso el bienestar humano básico.

El término familiar, humedad relativa (HR), expresa el contenido de agua del aire como un porcentaje de la cantidad máxima de agua que el aire a una temperatura determinada puede contener. Al igual que la temperatura, los niveles de humedad demasiado altos o demasiado bajos pueden resultar incómodos para las personas e incluso dañar las estructuras, así como los equipos mecánicos y electrónicos.

Los altos niveles de humedad en los edificios pueden provocar corrosión, crecimiento de moho y descomposición del hormigón y otros materiales. En los equipos electrónicos, los altos niveles de humedad pueden provocar cortocircuitos debido a la condensación, especialmente cuando los equipos se introducen en un entorno húmedo desde un lugar más frío.

Los niveles bajos de humedad pueden provocar la contracción de los materiales, el deterioro de los productos de papel y la acumulación de electricidad estática. Al aumentar la acumulación, la descarga electrostática resultante puede causar daños en los dispositivos electrónicos y provocar incendios en entornos con altos niveles de compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aire. Por lo tanto, los sensores de humedad relativa desempeñan un papel importante a la hora de proporcionar un entorno seguro y saludable en los edificios. Cada vez más, surgen preocupaciones similares en el fomento de la salud y el bienestar humanos.

Los seres humanos suelen notar más las temperaturas incómodas que los niveles de humedad, pero se sabe que los niveles de humedad excesivamente bajos o altos afectan a la salud. La humedad alta o baja puede exacerbar los síntomas de los asmáticos y alérgicos, y reducir la calidad del sueño incluso en personas sanas. A niveles de humedad muy bajos, el tejido humano se seca causando irritación de los ojos o de las fosas nasales. Los fabricantes de CPAP suelen confiar en los sensores de humedad para garantizar que sus equipos suministren el aire adecuadamente húmedo a los usuarios.

La necesidad de medir y controlar los niveles de humedad desempeña un papel más amplio en la salud pública. Los investigadores han descubierto que los niveles de humedad no necesitan alcanzar niveles extremos de sequedad o humedad para desempeñar un papel en la fisiología humana. Normalmente, la humedad de las fosas nasales ayuda a expulsar los virus aerosolizados (virus suspendidos en gotas microscópicas). Cuando las fosas nasales están secas, los agentes patógenos en forma de aerosol pueden penetrar más profundamente en el sistema respiratorio y causar más fácilmente una infección [1]. Debido a estos y otros factores fisiológicos, la infectividad del virus de la gripe en aerosol es significativamente mayor a niveles de humedad inferiores al 40% de HR (Figura 1) [2]. Estudios más recientes sugieren que la HR entre el 40% y el 60% también desempeña un papel en la reducción de la infección por COVID-19, e incluso en la degradación del virus SARS-CoV-2 que causa el COVID-19 [3].

Figura 1: Las investigaciones que muestran una relación entre los niveles bajos de HR y el aumento de la infectividad de los virus en aerosol siguen impulsando la creciente demanda de soluciones de medición más precisas. (Fuente de la imagen: TE Connectivity Measurement Specialties)

Aunque la medición precisa de la humedad y la temperatura es fundamental en muchas aplicaciones diferentes, los requisitos de diseño correspondientes han limitado la capacidad de los desarrolladores para construir fácilmente soluciones eficaces. Además de la necesidad de una alta precisión con una deriva muy baja a largo plazo, muchas aplicaciones requieren sensores que ofrezcan una medición rápida y un funcionamiento de bajo consumo en un espacio mínimo, lo que permite una colocación más fácil del sensor en el punto ideal de medición, ya sea en un humidostato de HVAC, una unidad de control de la humedad de CPAP o un sistema de monitorización ambiental de precisión. El sensor digital de humedad y temperatura HTU31D de TE Connectivity cumple los requisitos de una lista cada vez mayor de aplicaciones que dependen de datos precisos.

Una solución para los requisitos de medición críticos

Con un tamaño reducido y una gran precisión, el HTU31D está optimizado para aplicaciones que van desde productos de consumo hasta sistemas de monitorización médica y profesional. Se presenta en un paquete de 6 pines que mide 2,5 x 2,5 x 0,9 milímetros (mm), está totalmente calibrado y no requiere ninguna calibración de campo adicional. Gracias a su reducido tamaño, los desarrolladores pueden colocar el sensor en lugares demasiado pequeños para las soluciones de detección anteriores, y conectar un HTU31D colocado a distancia a través de su interfaz serie I²C a su controlador anfitrión utilizando búferes I²C o desplazadores de nivel fácilmente disponibles.

El HTU31D mide la HR de 0 a 100% con una precisión típica de ±2%, una histéresis de ±0.7% de HR y una deriva típica a largo plazo inferior a 0.25% de HR/año. El rango de medición de temperatura del dispositivo es de -40 a 125°C con una precisión típica de ±0.2°C y una deriva típica a largo plazo de 0.04°C/año. Para ayudar a mantener su fiabilidad, el sensor integra un elemento calefactor para eliminar la condensación en niveles altos de humedad, así como diagnósticos internos para detectar errores de medición, errores del elemento calefactor y errores de la memoria interna.

En su modo de referencia para la medición de la humedad y la temperatura, el sensor presenta una resolución de 0,020% de humedad relativa y 0.040°C, con tiempos de conversión de 1 milisegundo (ms) y 1.6 ms, respectivamente. Para requisitos más exigentes, el dispositivo ofrece modos de funcionamiento que permiten a los desarrolladores aumentar la resolución a costa de un mayor tiempo de conversión. En el modo de máxima resolución para cada sensor, el HTU31D puede proporcionar 0,007% de HR con un tiempo de conversión de 7.8 ms y 0.012°C con un tiempo de conversión de 12.1 ms.

Para algunas aplicaciones, como los productos alimentados por baterías, el bajo consumo de corriente del dispositivo es una característica igualmente importante. Funcionando en su modo de resolución básica y realizando una medición de humedad relativa y temperatura por segundo, el dispositivo suele requerir solo 1.04 microamperios (μA). Durante los periodos no activos, el dispositivo puede ponerse en modo de reposo, donde suele consumir 0.13 μA. Por supuesto, el uso breve del calentador interno para eliminar la condensación o probar el funcionamiento del sensor de temperatura da lugar a un aumento igualmente breve pero significativo de la corriente.

Interfaces sencillas de hardware y software

El sensor digital de humedad y temperatura HTU31D ofrece interfaces sencillas para la integración de hardware y software en los diseños de los desarrolladores. Además de los pines de alimentación de 3 a 5.5 voltios (V_DD) y de tierra (GND), la interfaz de hardware del dispositivo incluye pines para las líneas de datos serie (SDA) y de reloj serie (SCL) del estándar I²C. Los dos pines restantes incluyen un pin de reset (RST) y un pin de dirección (IC_ADD). Cuando IC_ADD está ligado a GND o V_DD, el dispositivo responde a la dirección I²C 0x40 o 0x41, respectivamente, permitiendo que dos dispositivos HTU31D compartan el mismo bus I²C sin conflicto.

Un procesador anfitrión envía los comandos y lee los resultados utilizando transacciones seriales I²C básicas. Los comandos utilizan una secuencia de dos bytes que consiste en la dirección I²C, seguida de un byte de comando con bits individuales configurados para especificar las funciones soportadas, incluyendo la medición combinada de temperatura y humedad, la medición sólo de humedad, el reinicio, el encendido o apagado del calentador, el número de serie del dispositivo y los diagnósticos.

Para realizar una medición combinada de temperatura y HR (T & RH), por ejemplo, el host enviaría el byte de dirección y un byte que contiene el bit de comando de conversión y los bits que especifican la resolución deseada para las mediciones de temperatura y HR. El dispositivo admite un método de sondeo simple, por lo que después de transmitir la secuencia de comandos de conversión de dos bytes, el procesador anfitrión esperaría la duración dependiente de la resolución especificada en la hoja de datos antes de emitir una secuencia de dos bytes con el byte de dirección (0x40 o 0x41), seguido del byte de comando de lectura T & RH (0x0) (Figura 2, fila superior). El HTU31D respondería transmitiendo los bytes superior e inferior de los valores brutos para cada medición de temperatura y humedad solicitada (Figura 2, dos filas inferiores). Los valores brutos se convierten en los correspondientes valores físicos de temperatura y humedad utilizando un par de ecuaciones proporcionadas en la hoja de datos del HTU31D.

Figura 2: El sensor digital de humedad y temperatura HTU31D ofrece una interfaz sencilla para obtener rápidamente mediciones de temperatura y HR. (Fuente de la imagen: TE Connectivity Measurement Specialties)

Como se muestra en la Figura 2, el HTU31D sigue cada secuencia de datos de 16 bits con un byte que contiene el valor de comprobación de redundancia cíclica (CRC) de los datos generado por el dispositivo. Esta suma de comprobación CRC-8 permite detectar errores de bits individuales o errores de doble bit en cualquier parte de la transmisión de datos, o grupos de errores de bits dentro de una ventana de 8 bits. Al comparar este valor CRC transmitido con el valor CRC que calcula a partir de los datos recibidos, el procesador anfitrión puede identificar rápidamente una transmisión fallida y tomar las medidas adecuadas, como repetir el comando de medición, encender brevemente el elemento calefactor integrado HTU31D, emitir un reinicio o alertar al usuario de un posible fallo en el sistema de medición.

Otra característica de la secuencia de transmisión permite al host detener la secuencia de respuesta antes de su finalización normal cuando se produce alguna necesidad imperiosa. En una transacción normal, el HTU31D espera un acuse de recibo (ack) después del primer byte de datos con una secuencia final de no acuse de recibo (nack) y de parada al final de la secuencia de datos (véase de nuevo la Figura 2). Los desarrolladores pueden utilizar esta función para detener la transmisión cuando los datos CRC o los datos de humedad no son necesarios, o cuando se requiere urgentemente un nuevo comando, como el reinicio del dispositivo o la activación del calentador. Aquí, en lugar de enviar el esperado ack tras un byte de datos o CRC, el host puede emitir la secuencia final de nack/stop para terminar inmediatamente la transmisión de datos desde el sensor.

El HTU31D de TE ofrece una interfaz eléctrica y funcional sencilla, pero el empleo de cualquier sensor altamente sensible requiere un diseño físico cuidadoso para evitar artefactos de medición derivados de la interacción eléctrica o térmica con otros dispositivos a bordo. Del mismo modo, los errores en la implementación del protocolo de la secuencia de comandos o las ecuaciones de conversión de valores pueden retrasar la evaluación y la creación de prototipos de una función de detección de humedad y temperatura en un producto en desarrollo. Una placa complementaria y el software asociado de MikroElektronika permiten a los desarrolladores eludir los posibles problemas de implementación y comenzar el diseño y el desarrollo inmediatos.

Prototipos rápidos y desarrollo acelerado

La placa complementaria MikroElektronika MIKROE-4306 HTU31D basada en Temp & Hum 14 Click proporciona una implementación completa de la interfaz eléctrica del sensor (Figura 3, izquierda), montada en una placa de 28.6 x 25.4 mm (Figura 3, derecha).

Figura 3: Además de servir como esquema de diseño de referencia (izquierda) para el desarrollo personalizado, la placa MikroElektronika Temp & Hum 14 Click (derecha) ofrece una plataforma para la evaluación inmediata y la creación rápida de prototipos de soluciones de medición basadas en el sensor HTU31D. (Fuente de la imagen: MikroElektronika)

Al igual que otras placas complementarias mikroBUS Click de MikroElektronika y otros proveedores, la placa MikroElektronika Temp & Hum 14 Click está diseñada para ser conectada a una placa procesadora anfitriona, como una placa de desarrollo MikroElektronika Fusion, y ser utilizada con el marco de desarrollo de software de código abierto mikroSDK de MikroElektronika.

MikroElektronika complementa el entorno mikroSDK con paquetes de software que proporcionan controladores y soporte de placa para placas Click y placas de desarrollo específicas. Para la placa Temp & Hum 14 Click, MikroElektronika proporciona bindings de su paquete de software Temp-Hum 14 Click para su Fusion y otras familias de placas MikroElektronika.

El paquete de software Temp-Hum 14 Click admite el desarrollo mediante una biblioteca de funciones específica del HTU31D a la que se puede acceder a través de una interfaz de programación de aplicaciones (API). Una aplicación de ejemplo adjunta demuestra el funcionamiento del sensor HTU31D mediante un sencillo conjunto de funciones de la API que incluyen:

• temphum14_set_conversion, que realiza la secuencia de conversión mencionada anteriormente
• temphum14_get_temp_and_hum, que ejecuta la secuencia de datos T y RH del sensor
• temphum14_get_diagnostic, que lee el estado de error del registro de diagnóstico en chip del HTU31D

El código de la aplicación de ejemplo demuestra la inicialización del sistema, la inicialización de la aplicación y la ejecución de una tarea de la aplicación. El listado 1 muestra un fragmento del paquete de software diseñado para ejecutarse en la placa de desarrollo MikroElektronika Fusion para KINETIS v8 MIKROE-3515, que se basa en el microcontrolador MK64FN1M0VDC12 Arm®Cortex®-M4 Kinetis K60 de NXP.

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#include "Click_TempHum14_types.h"
#include "Click_TempHum14_config.h"
#include "Click_TempHum14_other_peripherals.h"
 
temphum14_diagn_t status_data;
uint32_t ser_numb;
float temperature;
float humidity;
char log_text[ 50 ];
 
[code deleted]
 
void system_init ( )
{
    mikrobus_gpioInit( _MIKROBUS1, _MIKROBUS_RST_PIN, _GPIO_OUTPUT );
    mikrobus_i2cInit( _MIKROBUS1, &TEMPHUM14_I2C_CFG[0] );
    mikrobus_logInit( _LOG_USBUART, 9600 );
    Delay_ms( 100 );
    
    mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "       Temp-Hum 14 click     ", _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
    Delay_ms( 100 );
}
 
void application_init ( )
{
    temphum14_i2c_driver_init( (temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_GPIO, 
                               (temphum14_obj_t)&_MIKROBUS1_I2C, 
                               TEMPHUM14_I2C_SLAVE_ADDR_GND );
    Delay_ms( 100 );
    
    mikrobus_logWrite( "        Hardware Reset       ", _LOG_LINE );
    temphum14_hw_reset( );
    Delay_ms( 100 );
    
    ser_numb = temphum14_get_serial_number( );
    
    LongWordToStr( ser_numb, log_text );
    Ltrim( log_text );
    mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "  Serial Number : ", _LOG_TEXT );
    mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "        Software Reset       ", _LOG_LINE );
    temphum14_soft_reset( );
    Delay_ms( 100 );
    
    temphum14_get_diagnostic( &status_data );
    Delay_ms( 10 );
 
    display_diagnostic( );
    Delay_ms( 100 );
}
 
void application_task ( )
{
    temphum14_set_conversion( TEMPHUM14_CONVERSION_HUM_OSR_0_020,
                              TEMPHUM14_CONVERSION_TEMP_0_040 );
    Delay_ms( 10 );
    
    temphum14_get_temp_and_hum( &temperature, &humidity );
    Delay_ms( 10 );
    
    FloatToStr( temperature, log_text );
    mikrobus_logWrite( "  Temperature : ", _LOG_TEXT );
    mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
    mikrobus_logWrite( " C", _LOG_LINE );
    
    FloatToStr( humidity, log_text );
    mikrobus_logWrite( "  Humidity    : ", _LOG_TEXT );
    mikrobus_logWrite( log_text, _LOG_TEXT );
    mikrobus_logWrite( " %", _LOG_LINE );
    mikrobus_logWrite( "-----------------------------", _LOG_LINE );
    Delay_ms( 3000 );
}
 
void main ( )
{
    system_init( );
    application_init( );
 
    for ( ; ; )
    {
            application_task( );
    }
}

Listado 1: Este fragmento de la aplicación de ejemplo de MikroElektronika demuestra los patrones básicos de diseño para inicializar y ejecutar una tarea sencilla para obtener mediciones de temperatura y HR del sensor HTU31D. (Fuente del código: MikroElektronika)

La aplicación de ejemplo incluida en el paquete de software demuestra los patrones de diseño básicos para implementar una aplicación de software utilizando el sensor TE HTU31D. Como se ilustra en el Listado 1, la rutina principal comienza llamando a una función de inicialización del sistema (system_init()) para configurar los controladores de bajo nivel incluyendo el sensor HTU31D y llamando a una función (application_init()) para inicializar los recursos de la aplicación. En este caso, application_init() inicializa el controlador I²C del sistema con una instancia de un objeto sensor antes de realizar un reinicio del sensor y una llamada a la función (temphum14_get_diagnostic()) para recuperar los diagnósticos del sensor y mostrar la información de diagnóstico (display_diagnostic()).

Tras la breve fase de inicialización, la aplicación de ejemplo entra en un bucle sin fin que llama a una tarea de la aplicación cada tres segundos. En el código de ejemplo que se muestra en el Listado 1, la tarea de aplicación solicita una conversión con una resolución de 0.020% de HR y 0.040°C, el modo de funcionamiento de referencia del HTU31D como se ha indicado anteriormente. En este modo de línea base, el HTU31D solo necesita 1 ms para medir la HR y 1.6 ms para medir la temperatura. La aplicación de ejemplo rellena la duración de la espera, utilizando un retraso de 10 ms (delay_ms(10)) antes de llamar a la función de la API temphum14_get_temp_and_hum() para recuperar los valores de temperatura y humedad. Dado que la biblioteca realiza la transformación necesaria para convertir los valores brutos de la HTU31D en valores físicos de medición de la temperatura y la humedad, los valores de medición resultantes pueden utilizarse directamente, simplemente registrando los resultados en este caso.

Utilizando esta plataforma de hardware y el entorno de software asociado, los desarrolladores pueden evaluar rápidamente y crear prototipos de aplicaciones del sensor HTU31D para obtener mediciones precisas de la humedad relativa y la temperatura en una variedad de resoluciones. Para el desarrollo de hardware personalizado, la placa MikroElektronika Temp & Hum 14 Click sirve como un diseño de referencia completo que incluye esquemas completos y diseño físico. Para el desarrollo de software a medida, el paquete de software Temp-Hum 14 click proporciona una plantilla básica para construir aplicaciones más completas.

Conclusión:

La humedad y la temperatura desempeñan un papel fundamental en la integridad de las estructuras y los equipos, así como en la salud y el bienestar de las personas. Sin embargo, la gestión adecuada de la humedad y la temperatura depende de una combinación de precisión de las mediciones y de una medición omnipresente que ha sido difícil de conseguir fácilmente debido a las limitaciones de las soluciones de sensores convencionales.

Un sensor de humedad y temperatura de TE Connectivity Measurement Specialties ofrece la combinación única de precisión, estabilidad, tamaño y facilidad de uso necesaria para cumplir con los requisitos de medición emergentes en aplicaciones médicas, industriales y de consumo.

Referencias

1. La baja humedad ambiental perjudica la función de barrera y la resistencia innata contra la infección de la gripe
2. La alta humedad provoca la pérdida del virus de la gripe infecciosa de la tos simulada
3. El efecto de la temperatura y la humedad en la estabilidad del SARS-CoV-2 y otros virus con envoltura