중요한 환경 데이터의 효율적인 수집을 위해 초소형 습도 및 온도 센서 사용

작성자: Stephen Evanczuk

DigiKey 북미 편집자 제공

2021-04-07

온도 및 습도가 건물과 전자 시스템의 구조적인 무결성에 미치는 영향을 생각할 때, 이러한 파라미터에 대해 정확하고 신뢰할 수 있는 측정값을 얻는 일은 소비자, 산업용 및 의료용 응용 제품의 광범위한 설계에서 매우 중요합니다. 습도와 온도가 건강에 미치는 영향도 특별히 고려되어야 하는데, 여러 연구에서 밝혀진 바에 의하면 이러한 파라미터의 변형이 불쾌감으로부터 에어로졸화된 바이러스를 통한 감염에 이르기까지 건강에 다양한 영향을 주기 때문입니다.

다양한 응용 제품에서 온도 및 습도를 감지해야 하는 이러한 요구를 충족하기 위해 설계자는 배포가 쉬운 저비용의 소형 폼 팩터 솔루션을 필요로 합니다. 또한 솔루션은 먼 거리 또는 액세스가 어려운 위치에서 배터리 수명을 절약할 수 있도록, 필요한 정확성 및 안정성을 유지하면서도 매우 적은 전력을 소비해야만 합니다.

이 기사에서는 환경의 온도 및 습도가 인프라, 전자 시스템 및 인체의 건강에 미치는 영향에 대해 알아봅니다. 그 다음 개발자가 다양한 범위의 응용 제품에서 매우 중요한 측정 관련 요구 사항을 더 쉽게 충족시키는 데 사용할 수 있는 TE Connectivity Measurement Specialties의 미니어처 습도 및 온도 센서를 소개하고 이를 적용하는 방법을 설명합니다.

정확한 습도 및 온도 측정의 중요성

수면성 무호흡뿐 아니라 기본적인 인체의 건강 유지를 위해, 습도 및 온도 수준을 정확히 모니터링하고 조정하는 기능은 냉난방공조(HVAC) 시스템, 지속기도양압(CPAP) 장비 등을 포함한 광범위한 영역에서 중요한 역할을 합니다.

익숙한 용어인 상대 습도(RH)는 특정 온도에서 공기가 보유할 수 있는 최대 물 양의 백분율로 공기 중의 수분 함량을 표시합니다. 온도와 마찬가지로, 습도가 너무 높거나 낮으면 사람에게 불쾌감을 유발하고, 기계적 장비 및 전자 장비뿐만 아니라 구조 자체에 손상을 입힐 수도 있습니다.

건물의 습도가 높은 경우 부식, 곰팡이 증식과 콘크리트 및 기타 재료의 붕괴가 유발될 수 있습니다. 전자 제품에서는, 특히 서늘한 곳에서 습한 환경으로 제품을 이동하는 경우 높은 습도에서 결로 현상으로 인해 단락이 유발될 수 있습니다.

낮은 습도로 인해서는 재료의 수축, 종이 제품의 손상 및 정전기 축적이 발생할 수 있습니다. 정전기가 계속 축적되면 발생하게 되는 정전 방전은 전자 장치에 손상을 초래하며, 공기 중에 휘발성 유기화합물(VOC)이 많은 환경에서는 화재가 발생합니다. 따라서 RH 센서는 건물 내에 안전하고 건강한 환경을 제공하는 데 중요한 역할을 합니다. 인체의 건강 및 웰빙과 관련된 면에서 이와 유사한 우려가 증대되고 있습니다.

사람은 보통 습도보다는 온도로 인해 불쾌감을 느끼지만, 극도로 낮거나 높은 습도는 건강에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 높거나 낮은 습도는 천식 및 알러지 환자의 증상을 악화시킬 수 있으며, 심지어 건강한 사람에게도 수면의 질 저하를 유발합니다. 습도가 매우 낮아지면 신체 조직이 건조해져서 눈이나 비강에 자극이 생깁니다. CPAP 제조업체는 장비가 사용자에게 적절한 수준의 습한 공기를 제공하는지 확인하는 데 일반적으로 습도 센서에 의존합니다.

공중 보건에 있어서는 습도의 측정 및 제어의 필요성이 더욱 중요합니다. 습도가 반드시 극도로 낮거나 높지 않아도 인체의 생리에 영향을 미친다는 것이 연구자들에 의해 밝혀져 왔습니다. 일반적으로 비강의 수분은 에어로졸화된 바이러스(미세한 물방울에 갇혀 있는 바이러스)를 배출하는 데 도움이 됩니다. 비강이 건조한 경우 에어로졸화된 병원균은 호흡기 시스템 안으로 더 깊이 파고들어 더 쉽게 염증을 유발합니다 [1]. 그와 더불어 기타 생리학적인 요인으로 인해, 에어로졸화된 인플루엔자 바이러스의 감염성은 습도가 40% RH 미만일 때 훨씬 더 높습니다. 최근 연구에 따르면 RH가 40% ~ 60% 사이인 경우에도 COVID-19 감염이 줄어들고, 심지어 COVID-19를 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스를 무력화시키기도 합니다 [3].

낮은 RH와 에어로졸화된 바이러스의 감염성 증가 간의 관계 그래프 그림 1: 낮은 RH 수준과 에어로졸화된 바이러스의 감염성 증가 간의 관계를 보여주는 연구로 인해 정확한 측정 솔루션에 대한 수요가 지속적으로 증가되고 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity Measurement Specialties)

습도 및 온도의 정확한 측정이 매우 다양하고 많은 응용 제품에서 대단히 중요함에도 불구하고, 이와 관련된 설계 요구 사항으로 인해 개발자들은 효율적인 솔루션을 쉽게 설계하기 어려웠습니다. 높은 정확도와 매우 낮은 장기 드리프트의 필요 이외에도, 많은 응용 제품에서는 최소한의 실장 면적에서 빠른 측정 및 저전력 작동을 제공하여 HVAC 조습기, CPAP 수분 제어 장치 또는 정밀 환경 모니터링 시스템에서 이상적인 측정 지점에 쉽게 설치할 수 있는 센서가 요구됩니다. TE Connectivity의 HTU31D 습도 및 온도 디지털 센서는 정확한 데이터에 의존하는 다양한 응용 제품의 요구 사항을 충족합니다.

주요 측정 요구 사항을 위한 솔루션

작은 실장 면적 및 높은 정확성이 특징인 HTU31D는 소비자 가전 제품에서부터 의료 및 전문 모니터링 시스템에 이르는 범위의 응용 제품을 위해 최적화되었습니다. 2.5mm x 2.5mm x 0.9mm 크기의 6핀 패키지로 제공되며, 완전히 보정되어 추가적인 현장 보정이 필요 없습니다. 실장 면적이 작은 장점이 있어, 공간이 좁아 이전의 감지 솔루션 배치가 불가능한 곳에도 배치가 가능하며, I²C 직렬 인터페이스를 통해 바로 사용 가능한 I²C 버퍼 또는 레벨 시프터를 사용하여 호스트 컨트롤러에 원격 배치된 HTU31D를 연결할 수 있습니다.

HTU31D는 ±2%의 통상 정확도, ±0.7% RH 히스테리시스 및 0.25% RH/년 미만의 통상 장기 드리프트에서 0% ~ 100%의 RH를 측정합니다. 이 장치의 온도 측정 범위는 ±0.2°C의 통상 정확도, 0.04°C/년의 통상 장기 드리프트에서 -40°C ~ 125°C입니다. 신뢰성을 유지하기 위해, 이 센서는 높은 습도 수준에서 결로를 제거하기 위한 발열체와 측정 오류, 발열체 오류 및 내부 메모리 오류를 감지하기 위한 내부 진단을 통합합니다.

습도 및 온도 측정을 위한 기준 모드에서 이 센서의 분해능은 0.020% RH 및 0.040°C이며 변환 시간은 각각 1ms 및 1.6ms입니다. 더 까다로운 요구 사항을 위해, 이 장치는 변환 시간은 늘어나지만 분해능을 높일 수 있는 작동 모드를 제공합니다. 각 센서의 최대 분해능 모드에서, HTU31D는 7.8ms의 변환 시간으로 0.007% RH를 제공할 수 있으며 12.1ms의 변환 시간으로 0.012°C를 제공할 수 있습니다.

배터리 구동 제품과 같은 일부 응용 제품에서는, 이 장치의 낮은 전류 소비라는 특징이 동일하게 중요합니다. 이 장치는 기준 분해능 모드 작동 및 초당 1회의 RH 및 온도 측정을 수행하는 조건에서 통상 1.04μA만 필요합니다. 비활성화 시에는 장치를 대기 모드로 둘 수 있으며 이 경우 통상 0.13μA이 소비됩니다. 물론 내부 히터를 짧게 사용하여 결로를 제거하거나 온도 센서 작동을 테스트하면 전류가 그 짧은 시간 동안 크게 증가합니다.

단순한 하드웨어 및 소프트웨어 인터페이스

HTU31D 습도 및 온도 디지털 센서는 개발자의 설계에서의 하드웨어와 소프트웨어 통합을 위해 간단한 인터페이스를 제공합니다. 3V ~ 5.5V 공급 전압(V_DD) 및 접지(GND) 핀과 함께, 이 장치의 하드웨어 인터페이스에는 I²C 표준 직렬 데이터(SDA) 및 직렬 클록(SCL) 라인을 위한 핀이 포함됩니다. 남은 2개의 핀은 리셋(RST) 핀 및 어드레스(IC_ADD) 핀입니다. IC_ADD가 GND 또는 V_DD에 연결되면, 해당 장치는 각각 I²C 어드레스 0x40 또는 0x41에 응답하므로, 두 개의 HTU31D 장치가 충돌 없이 동일한 I²C 버스를 공유할 수 있습니다.

호스트 프로세서는 기본 I²C 직렬 트랜잭션을 사용하여 명령을 보내고 결과를 읽습니다. 명령은 I²C 어드레스로 구성된 2바이트 시퀀스를 사용하며, 그 다음에 개별 비트가 설정된 명령 바이트를 사용하여 온도 및 습도 모두 측정, 습도 전용 측정, 리셋, 히터 켜기 또는 끄기, 장치 일련 번호 및 진단 등 지원되는 기능을 지정합니다.

예를 들어 온도 및 RH(T & RH) 측정을 수행하기 위해서는 호스트가 어드레스 바이트, 변환 명령 비트를 포함하는 바이트, 온도 및 RH 측정에 대해 원하는 분해능을 지정하는 비트를 보냅니다. 이 장치는 간단한 폴링 방법을 지원하므로, 호스트 프로세서는 2바이트 변환 명령 시퀀스를 전송한 후 어드레스 바이트(0x40 또는 0x41)가 있는 2바이트 시퀀스를 발행하기 전에 규격서에 지정된 분해능 기반 시간 동안 기다리게 되며, 그 후 온도 및 RH 읽기 명령 바이트(0x0)가 뒤따릅니다(그림 2, 상단 행). HTU31D는 요청된 각 온도 및 습도 측정에 대한 원시 값의 상위 및 하위 바이트를 전송하여 응답합니다(그림 2, 하단 2개 행). 원시 값은 HTU31D 규격서에 제공된 방정식 쌍을 사용하여 해당 물리적 온도 및 습도 값으로 변환됩니다.

그림 2: HTU31D 습도 및 온도 디지털 센서는 온도 및 RH 측정 값을 신속하게 얻을 수 있는 간단한 인터페이스를 제공합니다. (이미지 출처: TE Connectivity Measurement Specialties)

그림 2에 표시된 것 처럼 HTU31D는 장치에서 생성한 데이터의 순환 중복 검사(CRC) 값을 포함하는 바이트로 각 16비트 데이터 시퀀스를 따릅니다. 이 CRC-8 체크섬을 사용하면 데이터가 전송되는 모든 위치에서의 개별 비트 오류 또는 이중 비트 오류 또는 8비트 창 내에서의 비트 오류 클러스터를 감지할 수 있습니다. 호스트 프로세서는 이 전송된 CRC 값을 수신된 데이터에서 계산한 CRC 값과 비교함으로써 실패한 전송을 신속하게 식별하고, 측정 명령을 반복하거나 HTU31D 통합 발열체를 잠시 켜거나 재설정을 실행하거나 측정 시스템의 가능한 오류를 사용자에게 경고하는 등 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

전송 시퀀스의 또 다른 기능은 오버라이딩 요구가 발생하는 경우 호스트가 정상적인 완료 전에 응답 시퀀스를 중지할 수 있다는 것입니다. 정상적인 트랜잭션에서 HTU31D는 최종 승인 안 됨(nack) 및 데이터 시퀀스의 맨 끝에 있는 중지 시퀀스를, 첫 번째 데이터 바이트 이후에 승인(ack)을 예상합니다(그림 2 다시 참조). 개발자는 CRC 데이터 또는 습도 데이터가 필요하지 않거나 장치 리셋 또는 히터 활성화와 같은 새로운 명령이 긴급하게 필요한 경우에 이 기능을 사용하여 추가 전송을 중지할 수 있습니다. 여기에서 데이터 또는 CRC 바이트 다음에 예상 ack를 보내는 대신 호스트는 최종 nack/중지 시퀀스를 발행하여 센서의 데이터 전송을 즉시 종료할 수 있습니다.

TE의 HTU31D는 간단한 전기적, 기능적 인터페이스를 제공하지만, 고감도 센서를 사용하려면 기판의 다른 장치와의 전기 또는 열 상호 작용으로 인해 발생하는 측정 아티팩트를 방지하기 위해 세심한 물리적 설계가 필요합니다. 마찬가지로 명령 시퀀스 프로토콜 또는 값 변환 방정식을 구현할 때 오류가 발생하는 경우, 날로 발전하는 제품에서 습도 및 온도 감지 기능의 평가 및 시제품 제작이 지연될 수 있습니다. 개발자는 MikroElektronika의 애드온 기판 및 관련 소프트웨어를 통해 잠재적인 구현 문제를 피하고 설계 및 개발을 즉시 시작할 수 있습니다.

신속한 시제품 제작 및 개발 가속화

MikroElektronika MIKROE-4306 HTU31D 기반 Temp & Hum 14 Click 애드온 보드는 28.6mm x 25.4mm 크기의 기판(그림 3, 오른쪽)에 장착된 센서의 전기 인터페이스(그림 3, 왼쪽)를 완벽하게 구현합니다.

그림 3: 맞춤형 개발을 위한 참조 설계 회로도(왼쪽)의 역할 외에도, MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 기판(오른쪽)은 HTU31D 센서를 기반으로 한 측정 솔루션의 즉각적인 평가 및 신속한 시제품 제작을 위한 플랫폼을 제공합니다. (이미지 출처: MikroElektronika)

MikroElektronika 및 다른 제공업체의 다른 mikroBUS Click 애드온 기판과 마찬가지로, MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 기판은 MikroElektronika Fusion 개발 기판과 같은 호스트 프로세서에 연결될 수 있도록, 그리고 MikroElektronika의 오픈 소스 mikroSDK 소프트웨어 개발 프레임워크와 함께 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

MikroElektronika는 특정 클릭 기판 및 개발 기판에 대한 구동기 및 기판 지원을 제공하는 소프트웨어 패키지로 mikroSDK 환경을 보완합니다. MikroElektronika는 Temp & Hum 14 Click 기판에서 Fusion 및 기타 MikroElektronika 기판 제품군을 위한 Temp-Hum 14 Click 소프트웨어 패키지의 바인딩을 제공합니다.

Temp-Hum 14 Click 소프트웨어 패키지는 응용 제품 프로그래밍 인터페이스(API)를 통해 액세스할 수 있는 HTU31D 전용 기능 라이브러리를 사용한 개발을 지원합니다. 함께 제공되는 샘플 응용 제품은 다음과 같은 간단한 API 기능 세트를 사용하여 HTU31D 센서의 작동을 보여줍니다.

temphum14_set_conversion, 앞서 언급한 변환 시퀀스 수행
temphum14_get_temp_and_hum, 센서의 T & RH 데이터 시퀀스 실행
temphum14_get_diagnostic, HTU31D의 온칩 진단 레지스터에서 오류 상태 판독

샘플 응용 제품 코드는 시스템 초기화, 응용 제품 초기화 및 응용 제품 작업 실행을 보여줍니다. 목록 1은 NXP의 MK64FN1M0VDC12 Arm® Cortex®-M4 Kinetis K60 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하는 KINETIS v8 MIKROE-3515 개발 기판용 MikroElektronika Fusion에서 실행하도록 설계된 소프트웨어 패키지의 스니펫을 보여줍니다.

복사
#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( );
    }
}

목록 1: MikroElektronika 샘플 응용 제품의 이 스니펫은 HTU31D 센서에서 온도 및 RH 측정 값을 얻기 위해 간단한 작업을 초기화하고 실행하기 위한 기본 설계 패턴을 보여줍니다. (코드 출처: MikroElektronika)

소프트웨어 패키지에 포함된 샘플 응용 제품은 TE HTU31D 센서를 사용하여 소프트웨어 응용 제품을 구현하기 위한 기본 설계 패턴을 보여줍니다. 목록 1에서와 같이 주요 루틴은 시스템 초기화 함수(system_init())를 호출하여 HTU31D 센서를 포함한 저수준 구동기를 설정하고, 응용 제품 리소스를 초기화하는 함수(application_init())를 호출하는 것으로 시작됩니다. 이 경우 application_init()는 센서 리셋 및 센서의 진단을 검색하고 진단 정보(display_diagnostic ())를 표시하는 함수 호출(temphum14_get_diagnostic ())을 수행하기 전에 센서 객체의 인스턴스로 시스템의 I²C 구동기를 초기화합니다.

짧은 초기화 단계 후, 샘플 응용 제품은 3초마다 응용 제품의 작업을 호출하는 무한 루프에 들어갑니다. 목록 1에 표시된 샘플 코드에서, 응용 제품의 작업을 위해서는 앞서 언급한 HTU31D의 기준 작동 모드인 0.020% RH 분해능 및 0.040°C에서 변환이 요구됩니다. 이 기준 모드에서 HTU31D는 RH를 1ms만에, 온도는 1.6ms만에 측정합니다. 샘플 응용 제품은 온도 및 습도 값을 검색하기 위해 API 함수 temphum14_get_temp_and_hum()을 호출하기 전에 10ms 지연(delay_ms(10))을 사용하여 대기 시간을 채웁니다. 라이브러리는 HTU31D의 원시 값을 물리적 온도 및 습도 측정 값으로 변환하는 데 필요한 변환을 수행하기 때문에, 이 경우 결과를 기록하기만 하면 결과로 나온 측정 값을 직접 사용할 수 있습니다.

개발자는 이 하드웨어 플랫폼과 관련 소프트웨어 환경을 사용하여 HTU31D 센서 응용 제품을 신속하게 평가하고 시제품을 제작하여 다양한 분해능에서 정확한 RH 및 온도 측정 값을 얻을 수 있습니다. 맞춤형 하드웨어 개발을 지원하기 위해, MikroElektronika Temp & Hum 14 Click 기판은 전체 회로도와 물리적 설계를 포함한 완전한 참조 설계를 제공합니다. 맞춤형 소프트웨어 개발을 지원하기 위해, Temp-Hum 14 Click 소프트웨어 패키지는 보다 포괄적인 응용 제품을 구축하기 위한 기본 템플릿을 제공합니다.