【应用】温湿度传感器HTU21D替代SHTC3用于基于物联网的配电房环境监测，0.02uA休眠电流助力实现超低待机功耗

时间： 2020-04-09 来源：世强

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随着半导体技术的发展，温度传感器和相对湿度传感器已经集成到了一个芯片中，且实现了数字化、小型化、低功耗，使得相关的物联网应用变得简单。例如典型的具备I2C接口的温湿度传感器有Sensirion的SHTC3（尺寸只有2mm×2mm），TE推出的HTU21D（3mm×3mm）、HTU31D（2.5mm×2.5mm）。

笔者设计的一款基于物联网的配电房温湿度环境监测传感器采用了SHTC3进行设计，实现了无人值守的配电房温湿度环境的监测、温湿度越限报警、温湿度突变报警、基于LORA的无线数据传输。该温湿度环境的监测装置还具有液晶显示及报警复归按键，方便运维人员观测和调试。

上述温湿度环境监测装置与其它设备共用配电房提供的24V直流电源，但是随后笔者遇到了没有外部电源供给，需要自备电池供电的应用。该应用笔者采用了TE的HTU21D代替了SHTC3，实现了更低功耗的设计。HTU21D和SHTC3的部分技术指标对比如下表：

在实现相当的测量精度的前提下，这两款芯片的工作电流也是接近的，HTU21D略低，但是本设计中测量活动是周期性唤醒的（周期从30分钟到数小时可配置），传感器大部分时间是处于休眠状态，因此较低的休眠电流可以简化电源管理的设计，在同样电池容量的情况下大大延长设备寿命。HTU21D的休眠电流不到SHTC3的十分之一。最终实现整机休眠电流<3.5uA。硬件框图如下：

实物如下图：

在采用HTU21D、SHTC3之类的温湿度传感器芯片进行硬件设计时有一点是值得注意的：

PCB布局上，传感器芯片应该远离热源，否则会引起测量值偏差。实际上，很多时候硬件工程师为了获得更好的信号完整性（SI）和电源完整性（PI），对地和电源层采用铺铜处理，但铜是热的良导体，所以即使传感器距离热源有一定距离，但是这类直接焊装在PCB上的QFN封装依然会受到通过铺铜传递过来的热量的影响。此外，在很多小型化的设计里，也无法实现较大距离的布局。为解决这些问题，推荐采用半岛形式的布局，例如通过开槽：

或者如笔者将此部分电路置于伸出PCB的一小截“半岛”。这样连同PCB的FR4材料带来的热传导也是最小，而且布局在边缘也是环境空气对流最充分的地方（壳体有开孔），能够更真实的反映环境参数。

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远风 Lv7. 资深专家 2020-06-10

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