最小数字温湿度传感器HTU21D.docx
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最小数字温湿度传感器HTU21D
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数字信号输出的温湿度传感器
●DFN封装
●I²C方式输出温湿度数字信号●完全校准●无铅，适合回流焊●低功耗●快速响应
描述
HTU21D（F是法国MEAS公司新设计的数字式温湿度传感器,它具有比以前的产品更智能且尺
寸更小。
HTU21D（F使用双列扁平的无引线式（DFN）封装满足回流焊焊接工艺要求，同时还小体积（3*3*0.9mm）的特点，且集成了以标准I²C通信形式的数字输出方式。
HTU21D（F是数字式湿度传感器一个即插即用的温度湿度测量器件，传感器配有OEM，使测量更可靠、更精确。
直接使用一个MCU，无需其它的外围电路就可以使温湿度以数字信号方式输出。
这款低功耗的传感器主要为大批量、低成本和空间小的电路进行设计的。
每一个传感器在出厂时都进行了校准和测试，出厂批次印刷在传感器上面，标识码储存在芯片内部，可通过命令将其读出。
电压过低时，能够检到当前电压状态并使用校验和的方式以保证通信的可靠性。
HTU21D（F）的分辨率可以通过程序命令进行更改设置（8/12bit~12/14bitforRH/T.
随着MEAS公司把HTU21D（F）性能提高、体积的缩小、性价比的提高，最终将使得所有高端、节能项目从中获益。
可选的PTFE过滤器/膜（F）保护的HTU21D数字温湿度传感器，它的白色PTFE过滤器/膜是直接贴在传感器外壳上，以防止灰尘和水的浸泡以及其它的污染物，同时，使用PTFE过滤器/膜后传感器需要较高的响应时间。
产品特点
●在标准环境下，具有完全互换性且不需要校
准
●长期处于温度饱和的环境，离开后可以快速
恢复
●可使用自动化装配，无铅，适合回流焊接工
艺
●个体标记符合严格的可追溯性要求
应用领域●汽车电子:
防雾器,HVAC●家用电器●医疗产品●
打印机●加温器
zheng_xinghui@180********
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命名方式：
HTU2XY（F
内嵌PTFE过滤器:
HTU2XYF
传感器输出方式:
Y=D为数字输出,I²C协议=P为PWM方式输出=S为SDM方式输出湿度误差:
X=0:
在55%RH时误差在+/-5%RH内=1:
在55%RH时误差在+/-3%RH内
HTU2XY模块HTU2XYF模块
电气特性
极限参数
暴露在绝对最大额定值条件下长时间可能会影响传感器的可靠性。
zheng_xinghui@180********
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电气特性和基本性能
（2条件:
=3V,SCK=400kHz,温度<60°C,dutycycle<10%
传感器特性
相对湿度
（2在风速1m/s情况下
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图1:
在25°C时不同湿度对应的误差
1098765432100102030
最大误差典型误差
405060708090100
相对湿度（%RH
HTU21D（F适合用于测量湿度在5~95%RH环境。
其它环境（<5%or>95%RH,及冷凝状态不适宜使用。
温度补偿计算公式
使用温度补偿公式计算湿度后，可以保证湿度达到第3页诉说的精度（温度在0~80°C）：
相对湿度%RH,根据HTU21D（F测量计算得出
当前湿度对应的温度°C,根据HTU21D（F测量计算得出
CoeffTemp温度系数（HTU21D（Fin%RH/°C）
相
对湿度误差（%RH
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
温度
（2在风速1m/s情况下
图2:
温度误差
-40
-20
21,81,61,41,210,80,60,40,2
00
20
最大误差典型误差
40
60
80100120温度（°C
HTU21D（F使用手册
应用指南
∙焊接说明:
推荐无铅回流焊接工艺
可使用标准的回流焊炉焊接HTU21D（F）传感器。
zheng_xinghui@180********
HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
HTU21D（F）传感器作为湿度敏感元件（如在IPC/JEDECJ-STD-020标准或同等规范流程类别的IR/convection回流焊工艺，在温度260°C时，接触时间应小于30秒）必须符合IPC/JEDEC的J-STD-033或同等规范流程的方式来处理。
IPC-1601提供了湿度控制，处理和包装印刷电路板。
通过下面的曲线可以看出，HTU21D（F）是可以接受JEDEC标准的无铅回流焊接工艺的一个传感器。
印刷焊锡膏，应在24小时内完成贴装部件，以避免锡膏干涸。
对于手工焊接，在温度高达350°C时接触时间必须限制在5秒内。
制作HTU21D（F制作HTU21D（F传感器焊盘时，参考下图尺寸。
HTU21D（F传感器推荐封装.单位：
mm.
手焊或回流焊焊接之后，装置不需要进行具体的调节。
为保证传感器的稳定准确的工作，须要把它放在25℃/55%RH的环境下24小时。
类似的处理方式对于暴露在极端温度条件下也适用。
无论是手动还是回流焊焊接后，都不允许冲洗电路板。
因此，强烈建议使用“免洗”型焊锡膏。
如果将传感器应用于腐蚀性气体中或有冷凝水产生（如：
高湿环境），引脚焊盘与PCB都需要密封（如：
使用敷形涂料）以避免接触不良或短路。
HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙存储条件和操作说明
存储HTU21D（F传感器原包装的条件:
温度在-40°C-125°C之间。
∙温度影响
气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。
因此在测量湿度时，应尽可能保证所有测量同一湿度的传感器在同一温度下工作。
在做测试时，应保证被测试的传感器和参考传感器在同样的温度下，然后比较湿度的读数。
在做测试时，应保证被测试的传感器和参考传感器在同样的温度下，然后比较湿度的读数。
如果HTU21D（F与易发热的电子元件在同一个印刷线路板上，在设计电路时应采取措施尽可能将热传递的影响减小到最小。
如：
保持外壳的良好通风，HTU21D（F与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，或在两者之间留出一道缝隙（宽度应大于1mm）。
HTU21D（F传感器通过板面和安装方式减少导热的例子
∙用于密封和封装的材料
密封和粘合（谨慎使用可使用充满环氧树脂的方法进行电子元件的封装，或是硅树脂。
对于其它特殊的材料可以发邮件到询问。
探测窗口必须保留，不得封堵。
HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙布线规则和信号完整性
如果SCK和DATA信号线相互平行并且非常接近并超过10cm，有可能导致信号串扰和通讯失败.解决方法是在两个信号线之间放置VDD和/或GND，将信号线隔开，和/或使用屏蔽电缆。
此外，降低SCK频率也可能提高信号传输的完整性。
电源引脚（VDD，GND）之间加一个100nF的去藕电容，用于滤波。
此电容应尽量靠近传感器。
∙ESD
ESD干扰测试标准：
●JEDECJESD22-A114模式（人体接触±4kV，对传感器所有引脚及检测口●JEDECJESD22-A115模式（机器接触±200V
●ESDAESD-STM5.3.1-1999和AEC-Q100-011（带电元件接触,750Vcornerpins,500Votherpins
闩锁效应抵抗性是在25°C时，电流为100mA时根据标准JEDECJESD78进行检测。
如果传感器使用在超出条件限制的范围，需要增加外围电路。
接口定义
典型应用电路,包括上拉电阻RP和VDD与GND之间的去藕电容。
∙电源接口（VDD,GND
HTU21D（F的电压范围是直流1.5V~3.6C，推荐电压为3V。
值得注意的是典型的应用电路中，数据线和时钟线要加一个上拉电阻，电源与地之间要加一个去耦电容，并且要尽可能的靠近传感器。
HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙串行时钟线（SCK
SCK用于微处理器与HTU21D（F之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
∙串行数据（DATA
DATA引脚用于传感器的数据输入和输出。
当向传感器发送命令时，DATA在串行时钟SCK的上升沿有效，且当SCK为高电平时，DATA必须保持稳定。
在SCK下降沿之后，DATA值可被改变。
为确保通讯安全，DATA的有效时间在SCK上升沿之前和下降沿之后应该分别延长至tSU和tHD。
当从传感器读取数据时,DATA在SCK变低tVD以后有效，且维持到下一个SCK的下降沿。
微处理器外部要接一个上拉电阻（通常10KΩ）在SCK上，以保证信号能被拉高，如果没有将导致集电极开路或开漏输出。
在大部分情况，上拉电阻可能已包含在微处理器的I/O电路中。
电气特性
∙输入/输出直流电压
HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙数据传输时序图
HTU21D（F的DATA时序图。
较粗的DATA线由传感器控制。
DATA有效读取时间由前一个转换的下降沿触发.
HYU21D（F）通信协议
∙启动HTU21D（F）
给HTU21D（F通上1.5V~3.6V之间的直流电压。
上电后，传感器需要15ms的SCK的高电平以达到空闲状态（睡眠状态），即使传感器处于待机状态，以便随时接收MCU的命令，无需要特殊命令退出空闲状态。
推荐使用软复位作为启动方式，详见11页。
∙开始时序（S
以开始位作为数据传输的起始，它是SCK高电平时DATA由高到低后，SCK再由高电平变为低电平。
∙停止时序（P
以停止位作为数据传输的终止，它是DATA低电平，SCK再由低电平变为高电平后，DATA再转换为高电平。
HTU21D（F指令集和寄存器地址
Forsamplesourcecode,pleaserequestto:
zheng_xinghui@
.
∙发送命令
在启动设备后，随后传输的I²C首字节包括了7位I²C设备的地址0X40和一个DATA的方向位（’0’表示写：
0X80）。
在第8个SCK时钟下降沿之后，传感器通过拉低DATA引脚（ACK位），指示传感器数据接收正常。
发出测量命令后（温度：
0xE3，湿度：
0xE5，MCU必需要等待测量完成才能进行下一步操作。
下面给出了传感器的基本命令：
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
命令
触发开启温度测量
触发开启湿度测量
触发开启温度测量
触发开启湿度测量
写用户寄存器
读用户寄存器
软件复位Code0xE30xE50xF30xF50xE60xE7
0xFE释义保留主机保留主机释放主机释放主机
主机模式/非主机模式
传感器有两种不同的通讯方式：
主机模式与非主机模式。
在第一种情况下，在测量的过程中，SCL线被封锁（由传感器进行控制），在第二种情况下，当传感器在执行测量任务时，SCL线仍然保持开放状态，可进行其他通讯。
非主机模式允许传感器进行测量时在总线上处理其他I²C总线通讯任务。
两种通信时序分别在下面图表所示。
在主机模式下测量时，HTU21D（F）将SCL拉低强制主机进入等待状态。
通过释放SCL线，表示传感器内部处理工作结束，进而可以继续数据传送。
在非主机模式下，MCU需要对HTU21D（F状态进行查询。
此过程通过发送一个开始传输时序，之后紧接着是如下图所示的I²C首字节（’1’为读取：
0X81）来完成。
如果内部处理工作完成，单片机查询到HTU21D（F发出的确认信号后，相关数据就可以通过MCU进行读取。
如果测量处理工作没有完成，HTU21D（F无确认位（ACK）输出，此时必须重新发送开始传输时序。
无论哪种传输模式，由于测量的最大分辨率为14位，第二个字节SDA上的后两位（LSBs,bits43and44用来传输相关的状态信息。
两个LSBs中的bit1表明测量的类型（‘0’:
温度,‘1’:
湿度。
bit0位当前没有赋值。
主机模式通信时序
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
非主机模式通信时序
灰色部分由HTU21D（F进行控制。
主机通信模式时序：
如果要省略校验和（CRC传输，可将第45位改为NACK,后接一个传输停止时序（P）。
非主机通信模式时序：
如果测量工作并非完成于“读”命令，传感器不会以27位提供ACK（可能发生更多的迭代次数）。
如果45位被改成NACK，后接停止时序（P），校验和传输就被省略。
示例中，HTU21D（F输出SRH=‘0111’1100’1000’0000（0x7C80在进行物理换算时，后两位状态位要置‘0’，详见p.14。
所需最长测量时间取决于测量类型和分辨率。
测量时间的最大值由MCU的通讯计划确定。
参考p.3和p.4测量时间部分的说明。
I²C通讯允许在不通过停止时序（P停止前一个时序的情况下，重复开始（S
∙软件复位
这个命令可以使HTU21D（F在不需要开关电源的情况进行重启。
在接收到这个命令之后，传感器系统开始重新初始化，并恢复默认设置状态，用户寄存器的加热器位除外。
软复位所需时间不超过15毫秒。
灰色部分由HTU21D（F
进行控制。
zheng_xinghui@180********
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙用户寄存器
用户寄存器的内容如下表所示。
请注意，不得变更预留位且相关的预留位的默认值以后可能会改变，我们不另行通知。
因此，在进行任何写寄存器的操作之前，必须先读预留位的默认值。
电池电量警报会在电池电压小于2.25V的激活。
内部加热器用于传感器功能性诊断：
温度升高时湿度降低。
加热器的功耗大约为5.5mW，可使温度上升0.5~1.5°C。
OTP重载为一个安全功能，可以在每次测量前将整个OTP设置加载到寄存器，加热器位除外。
电池信号的临界值会有±0.05V左右的变动。
预留位不得变更。
OTP在每次测量命令发出后写入默认值。
∙I²C通信读/与用户寄存器举例说明
这个例子，设置HTU21D（F）分辨率为8bits/12bits（湿度/温度：
0
灰色部分由HTU21D（F进行控制
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
CRC校验和
HTU21D（F提供了CRC-8校验和的错误检查方法。
它的计算式：
注意事项
CRC是CyclicRedundancyCheck的缩写（循环冗余校验），它是非常有效的错误检测方案且只需要极少的资源。
HTU21F（F）传感器上可以应用CRC检验的错误类型：
●
在数据传输时奇数个的错误●在数据传输时双数位上的错误
●单次仅单字节通信的8位数据上的任何错误（1-8bits错误
●大部公多字节通信时发生的错误
CRC通常用于数字网络和存储设备中检测数据在传输过程中数据校验。
数据块进入附加运算式中，将得到一个简短校验和，其内容是多项式除法的余数；在检索的重复计算中，如果检查值不匹配，可以采取纠正措施对损坏的数据进行恢复。
CRC是基于冗余（它扩展了消息，而无需添加信息）和算法检查（数据验证）值的循环码。
CRC很受欢迎，因为它们是通过简单的二进制硬件来实现，便于数学分析，特别在容易检测传输过程中噪声引起的常见错误。
由于校验值具有固定的长度，因此产生它的函数有时也会使用哈希函数。
HTU21D（FI²C使用CRC的规则
当HTU21D（F）传感器通过标准I²C协议发送报文时，一个8位CRC校验码可以用来检测传输错误。
CRC涵盖了由传感器传输的所有读取数据。
用I²C协议与HTU21D（F）传感器CRC通信的关系列于下表：
CRC计算
计算一个n位二进制数的CRC，行表示输入的连续位，并且该行的左侧端部的下方的位置的第（n+1）位图案表示CRC的除数（称为“多项式”）。
这是第一次填充与对应的CRC位长n为零。
如果输入位上方最左边的除数位为0，什么也不做。
如果输入比特以上的最左边除数位为1，除数异或到输入（换言之，输入位以上的除数每个1位切换）。
除数，然后转移1位到右侧，并重复该过程，直到到达除数输入行的右手末端。
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数字信号输出的温湿度传感器
因为最左边的除数位清零每一个输入位触及，当该处理结束的输入行中的唯一位，可以是非零的是第n位在该行的右端。
这些n位是除法步骤的其余部分，并且也将是CRC函数的值。
一个接收到的消息的有效性可容易地通过再次执行上述运算进行验证，这个时间与被检查附加值，而不是零。
余数应等于零，如果没有检测到错误。
CRC举例
输入数据：
11011100（0xDC将得出：
01111001（0x79.
输入数据：
0110100000111010（0x683A:
24.7°C将得出：
01111100（0x7C.
输入数据：
0100111010000101（0x4E85:
32.3%RH将得出：
01101011（0x6B.
输出数据处理
默认分辨率为12bit/14bit（湿度/温度）测量。
测量数据被分为两个字节存放，分为高字节（MSB）的低字节（LSB）。
每个字节的后面跟随一个应答位，LSB的后两位为状态位，在计算时，要先将这两位置‘0’。
为了适应任何的工艺变化（湿度模具的标称电容值），高于100%RH和低于0%RH时的测量公差也要考虑在内.因此:
●118%RH对应的值为0XFF，数据以ASIC码的形式发送出去，同时这是对应的最大ASIC码，所以当湿度测量值高于118%RH时，传感器将保持以118%RH输出。
●-6%RH对应的值为0X00，数据以ASIC码的形式发送出去，同时这是对应的最小ASIC码，所以当湿度测量值低于-6%RH时，传感器将保持以-6%RH输出。
∙湿度处理
无论哪个分辨率，都可以通过输出的湿度信号,再根据下面的公式进行计算得出相对湿度：
如p.10给出的例子，这个16位的湿度信号数据为0x7C80：
31872，那么计算得出的湿度为54.8%RH。
∙温度处理
无论哪个分辨率，都可以通过输出的温度信号,再根据下面的公式进行计算得出温度：
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
应用:
露点温度测量
露点是指空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。
露点与相对湿度相关。
高相对湿度表示的露点接近当前空气温度，在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点（与空气最大限度地用水饱和）。
当露点保持恒定和温度的增加，相对湿度将会降低。
露点温度可以使用HTU21D（F）检测周围空气中的温度和湿度进行计算得出，下面列出相关计算公式。
环境温度计算局部气压（PPTamb公式:
局部气压（PPTamb计算露点温度（Td公式:
PPTamb环境温度（Tamb下的局部气压（mmHg
RHamb环境湿度（%RH），由HTU21D（F传感器测量计算得出
Tamb湿度RHamb时的温度，由HTU21D（F传感器测量计算得出Td露点温度（°C）A,B,C
常量:
A=8.1332;B=1762.39;C=235.66
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HTU21D（FSensor数字信号输出的温湿度传感器
外形尺寸
∙HTU21D封装
∙HTU21DF封装
注：
封闭尺寸单位为毫米（mm），尺寸精度±0.1mm。
下垫板（底部散热焊盘）内部接电源地。
zheng_xinghui@180********
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
∙包装说明
HTU21D（F属于DFN封装。
DFN即双侧无引脚扁平封装（DualFlatNoleads）.
传感器芯片由镀Ni/Pd/Au的铜引线框架制成，芯片和引线框由绿色环氧材料包覆。
请注意，由于传感器侧面被切成方形，因此侧面的引线框部分没有相应的保护镀层。
传感器的重量为0.025g.∙激光标刻说明
所有的HTU21D（F传感器上面都有激光标刻的5个数字字母组合的编码，如下图：
HTU21D（F共有两行，每行各由5个数字与字母的组合构成：
●第一行写的是传感器的名称:
HTU21.●第二行描述了以下几个信息：
⏹第二行第一个字符表示传感器的输出方式
⏹第二个字符表示传感器的生产年份:
2=2012,3=2013,etc.
⏹最后面的三个字符代表跟踪编码，这个编码可以追踪到MEAS产生、标定的测试
信息，这个信息根据客户要求提供。
HTU21D（F传感器的激光标刻
卷轴上面也贴有标签，如下图所示，并提供了其他的跟踪信息。
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
With:
XX:
O:
（F:
NN:
TTTTTTTTT:
YY:
DDD:
QQQQ:
传感器型号（21forHTU21D（F
输出方式（D=数字输出,P=PWM输出,S=SDM输出传感器有PTFE过滤器（仅HTU21DF产品编号
MEAS内部编号生产年份的后两位数第几天
数量（400,1500或5000PCS的倍数
∙包装
HTU21D（F使用卷带包装，外面使用仿静电袋进行密封。
标准包大小400、1500和5000PCS/包.每盘卷带后440mm（55个传感器容量和前200mm（25传感器容量部分为空包装。
下图描述了传感器随卷带的进入方向。
∙外包装大小
400和1500PCS/盘：
外直径178mm，盘轴直径13mm；5000PCS/盘：
外直径330mm，盘轴直径13mm。
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HTU21D（FSensor
数字信号输出的温湿度传感器
订购须知
**HTU21D–DIGITALTEMPERATUREANDRELATIVEHUMIDITYMODULE**
PACKAGE:
TAPE
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