D1HTU21D Anwendungsbeispiel für den digitalen Feuchte- und Temperatursensor HTU21D

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Andreas Dressler
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Mit miniaturisierten Sensoren und modernen Mikroprozessoren können heute relativ einfach leistungsstarke Messsysteme aufgebaut werden.

1 Mit miniaturisierten Sensoren und modernen Mikroprozessoren können heute relativ einfach leistungsstarke Messsysteme aufgebaut werden. Für die Feuchtigkeit und die Temperatur ist das im nachstehenden Artikel an dem Demonstrator DHTU2D gezeigt. Der DHTU2D (Abbildung ) basiert auf dem Kombinationssensor HTU2D [] (siehe Abbildung 2), der beide Feuchte und Temperatur mit hoher Genauigkeit messen kann. Dieser OEM-Sensor ist auf einer kleinen Leiterplatte (PHTU2D) [2] montiert, die über eine einfache Steckverbindung mit dem DHTU2D verbunden werden kann. Der Demonstrator wird von einer Batterie versorgt und zeigt auf dem LC-Display die relative Feuchte in % und die Temperatur in C auf eine Dezimalstelle genau an. Abbildung : DHTU2D mit seitlichem PHTU2D Abbildung 2: HTU2D Bei dem OEM-Sensor HTU2D (Abbildung 2) handelt es sich um die integrierte Kombination einer kapazitiven Feuchtigkeitsmesszelle und eines Temperatursensors. Kapazitive Sensoren basieren prinzipiell darauf, dass zwei Elektroden (parallele Metallplatten) einen elektrischen Kondensator bilden, dessen Kapazität sich durch Feuchtigkeitsabsorption und Feuchtigkeitsdesorption eines porösen Polymers zwischen den Platten reproduzierbar ändert. Diese Kapazitätsänderung wird in einem nachfolgenden ASIC verstärkt und in ein Digitalsignal gewandelt. Nach der elektronischen Kalibration in der integrierten Arithmetik Einheit stehen die digitalen Datenworte für Feuchte und Temperatur im I²C-Format am Ausgang zu Verfügung. Anwendungsnotiz:fan005 Seite /6 Stand

2 Abbildung 3: DHTU2D Schaltplan Abbildung 4: Belegung PHTU2D Anwendungsnotiz:fan005 Seite 2/6 Stand

3 Abbildung 5: DHTU2D Layout Maße: 45.70mm x 38.40mm Allgemeine Beschreibung Nr. Bezeichnung Anzahl R,R2,R3 Widerstand 0 k 3 SMD 0805, ± % R4 Trimmer 0 k SMD, ±20 %, 300 V C,C2,C3 Keramik 0, µf , ±0 %,X7R D3 DIODE N57W Schottky,SOD23 IC µc Pic6LF58 SMD SOIC28 LCD LC-Display NHD-0208 S Schiebeschalter DPDT, 24 V K 4x Buchse 2,54RM K2 6x Stiftleiste 2,54RM Batterie /2AA Lithium 3.6 V Tabelle : DHTU2D Bestückungsliste Der DHTU2D dient zur visuellen Ausgabe der relativen Feuchtigkeit und Temperatur. Er besteht aus dem Feuchte- und Temperatursensor PHTU2D, einem Mikrokontroller, einem Display, einer Batterie und einer Leiterplatte. Mit Hilfe des Mikrocontroller PIC6LF58 [3] werden die Messungen ausgewertet und das Ergebnis auf einem 8x2 LC-Display [4] ausgegeben. Der DHTU2D wird über eine /2AA Lithium Batterie betrieben. Nach dem Einschalten erfolgt die Messung der relativen Feuchte und Temperatur im Minutentakt. Die Programmierung wurde in C mit MPLAB X IDE [5] und dem XC8 Compiler [6] durchgeführt. Das Brennen des Mikrocontrollers erfolgte über ICSP (In Circuit Serial Programming). Der DHTU2D erkennt, wenn die Spannung der Batterie unterhalb von 2,25 V fällt und zeigt auf dem Display: Low Batt an. Gemäß der Spezifikation des HTU2D beträgt die Genauigkeit des Feuchtesensors ±3 %RH bei RT = 25 C im Bereich von 20 %RH bis 80 %RH. Für die Temperatur kann bei RT eine Genauigkeit von ±0,3 C erreicht werden. (Siehe dazu Datenblatt HTU2D [].) Inbetriebnahme Zur Inbetriebnahme muss der PHTU2D [2] lediglich in die 4 polige Buchsenleiste gesetzt und die Batterie in die dafür vorgesehenen, rückseitigen Sockel-Pins gesteckt werden. Durch Betätigung des Schiebeschalters S wird das Gerät an- und ausgeschaltet. Der DHTU2D ist für den Feuchtigkeitsbereich von 20 %RH bis 80 %RH und für den Temperaturbereich von 0 bis 60 C ausgelegt. Anwendungsnotiz:fan005 Seite 3/6 Stand

4 Batteriebetrieb Der digitale Feuchtigkeits- und ist ein sehr energieeffizienter Sensor. Seine Stromaufnahme liegt bei ca. 450 µa, wodurch er für Batterie gebundene Anwendungen (ohne Nutzung des internen Heaters) eingesetzt werden kann. Eine normale Standard /2AA Lithium Batterie hat eine Lebensdauer von ca. 200 mah und eine Ausgangsspannung von ca. 3.6 V. Die Batterie ist bei ungefähr 2 V entladen. Folgende Gleichung kann verwendet werden, wenn man die Batterielebensdauer berechnen möchte. Milliamperstunden (mah) = Messungen pro Jahr x A/D-Umwandlungszeit pro Messung(ms) x Stromverbrauch (000 ms/s x 3600 s/h) Der HTU2D ist ideal für batteriegetriebene Geräte. Um aber die Lebensdauer zu bestimmen, muss der Verbrauch der übrigen Bauelemente mit berücksichtigt werden. Die Stromaufnahme für diese Komponenten können anhand der unteren Tabellen einfach addiert werden. Parameter Symbol Min. Typ. Max. Unit Voltage Supply VDD V Current Consumption ) Power Dissipation Communication Sleep Mode µa Idd Measuring µa Sleep mode µw Average 8 bit 2) 2.7 µw Digital 2-wire interface, I 2 C protocol Heater VDD = 3 V 5.5 mw / T = C Storage -40 C.. 25 C Tabelle 2: Auszug aus dem Datenblatt HTU2D ) Conditions: V dd = 3 V, SCK = 400 khz at 25 C 2) Conditions: V dd = 3 V, SCK = 400 khz, Temp < 60 C, duty cycle < 0 % Parameter Symbol Condition Min. Typ. Max. Unit Operating Temperature Range Top Absolute Max C Storage Temperature Range Tst Absolute Max C Supply Voltage VDD V Supply Current IDD Ta = 25 C, VDD = 3.3 V.0.5 ma Supply for LCD (contrast) VDD V0 Ta = 25 C 3.2 V H Level Input Vih 0.7*VDD VDD V L Level Input Vil V H Level Output Voh 0.75*VDD V l Level Output Vol 0.2*VDD V Backlight Supply Voltage Vled V Backlight Supply Current Iled ma Tabelle 3: Auszug aus dem Datenblatt Display NHD-0208AZ-RN-YBW-33V Anwendungsnotiz:fan005 Seite 4/6 Stand

5 Abbildung 7: Typische Stromaufnahme des PIC6LF58 im HFINTOSC Mode Beispielrechnung der Betriebsdauer für praktischen Fall z.b. Sekundentakt Falls eine Messung jede Sekunde erfolgt, sind dies 3.5x0 6 Messungen pro Jahr. Bei einer Auflösung von 2 bit für die relative Feuchte und 4bit für die Temperatur ergibt sich eine Konvertierungszeit von ca. 58 ms (siehe Datenblatt HTU2D S.4 und S.6). Der OEM-Sensor benötigt 0,45 ma, der Mikrokontroller hat eine typische Stromaufnahme von 0.5 ma und das LCD von ma. Insgesamt ergibt sich eine Stromaufnahme für den DHTU2D von,95 ma. Der Ruhestrom des Sensors beträgt ca. 00 na. Dadurch ergibt sich folgender Stromverbrauch: a) Während den Messungen: Milliamperstunden (mah) = 6 3.5x0 x 58ms x.95ma (000 ms/s x 3600 s/h) = mAh b) In Ruhephase: Milliamperstunden (mah) = 00nA x 8760 (Stunden/Jahr) = mah 6 (0 na/ma) d.h. dass der Demonstrator eine Stromaufnahme von ca. 990,5 mah im Jahr hat. Daraus folgt bei Benutzung einer /2AA Batterie eine Lebensdauer von über Jahr. Anwendungsnotiz:fan005 Seite 5/6 Stand

6 Extras Der DHTU2D könnte so programmiert werden, dass zusätzlich der Taupunkt, sowie die absolute Feuchte angezeigt werden. Das Ergebnis ergibt sich nach mathematischen Formeln [6] [] über die zwei gemessenen Größen: relative Feuchte und Temperatur. Die Ausgabe erfolgt abwechselnd zur relativen Feuchte und Temperatur im 3 Sekunden Zeitintervall. Eine Änderung der Messzeitabstände in beliebigen Zeitabständen kann wie auch die Einstellung der Auflösung des Messergebnisses per Software vorgenommen werden, Dabei können die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte programmierbar in 8/2 bit oder 2/4 bit Datenworte gewandelt werden. Der Demonstrator lässt sich durch die ICSP Programmierschnittstelle über ein sechsadriges Kabel mit einem Programmer/Debugger wie z.b.: dem PICkit 3 [8] auch individuell programmieren. Der C-Code kann bei AMSYS angefragt werden. Der Sourcecode für den Betrieb des HTU2D steht unter der Anwendungsnotiz fan002 [9] zur Verfügung. Literatur Allgemeine Informationen unter [] Datenblatt HTU2D: [2] Anwendungsnotiz fan003: [3] SO/?qs=Ot24P6tC%2fQ6lHBECUvGjA%3d%3d&gclid=CLyrgq-2kccCFbLJtAodIxEOWQ [4] [5] [6] [7] [8] [9] Anwendungsnotiz fan002: - fan002.zip Der Demonstrator DHTU2D kann auf Nachfrage bei AMSYS unter der Produktnummer DHTU2D bestellt werden. Anwendungsnotiz:fan005 Seite 6/6 Stand

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