基于WIA-PA的HSE系统节点设计

2．1 传感器模块
传感器模块负责采集环境参数，主要对环境温度、环境湿度和综合空气质量进行采集。温度传感器采用ADT7301ARMZ，通过SPI与MCU通信；湿度传感器和综合空气质量传感器分别采用HIH-4010-003和QS-01，均为模拟输出，通过ADC输入到MCU。以上传感器的数据由MCU读取后，再由MCU进行数据的预处理。
ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度数字温度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。该传感器包含一个带隙材料制成的温度敏感元件、一个13位ADC转换器和一个串行接口电路。串口电路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE协议和DSPs，可以很方便地与其他微处理器／微控制器直接通信。传感器工作温度范围为-40～155℃，转换精度为±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有着较宽的工作电压(2．7～5．5 V)，提供待机模式，待机模式下电流低至1μA，非常适合电池供电和低功耗工业测量应用。
HIH-4010-003湿度传感器为内置信号处理单元、经激光修正的热固聚合物电容式感应元件，感应元件采用多层结构，使传感器对大多数应用环境中的不利因素(如潮湿、多尘、脏污、油类和普通化学环境)具备良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作湿度为0％RH～100％RH；在典型工作电压5 V下，工作电流仅为200μA，功耗低，典型响应时间为5 s，响应速度快；输出接近线形，稳定而且漂移低。传感器在标定数据的最佳拟合曲线下输出精度为±3．5％RH。为了使得传感器输出模拟量能够转换为具有实际意义的物理量，同时还要获得上述精度，需要进行数据变换处理和温度补偿修正处理。可以用如下公式，将获得的输出值转换为实际湿度值：
Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
式中，Sensor_RH为计算所得湿度值；Real_RH为实际空气湿度值；R为输出电压值；Zero_offset为零点漂移；θ为输出电压随湿度变化的斜率；T为温度值。
HIH-4010-003的标定数据分别为：Zero_offset为0．958 V、θ为30．680 mV／％RH。
QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器，对气态的空气污染(如香烟、氨气、酒精、硫化氢、一氧化碳、氢气、VOCs等)有很高的灵敏度，响应时间快，功耗低。室内空气污染存在许多潜在重要来源，大致有如下几个：首先是燃烧附属产物，主要指在采暖和烹饪过程中产生的附属物，包括一氧化碳、硫化物以及各类碳氢化合物；其次是各种挥发性有机物，主要来源于室内潮湿阴暗角落、空气交换设备以及建材辅料等；最后就是各种烟草烟雾。由此可见，QS-01对于室内常见的各种污染源有着很好的检测覆盖率，能够有效地响应各种室内常见污染。

QS-01作为一款综合空气质量传感器，容易受到环境变化的影响，输出电阻也很容易变动，因此需要定期在洁净大气环境中进行输出电阻(RS)的“0”点更新。使用QS-01来表示传感器感度的时候，通常对比“0”点和空气污浊时输出电阻(Rs)的变化率来表示，也就是说，以检测相对值来度量空气质量。同时，传感器对温湿度也有一定的依赖性，如图3所示。我们以相对值来度量空气质量，前提是温湿度等条件不变，所以当温湿度变化落差大时，为了得到较为精确的结果，需要进行一定的温湿度补偿计算。QS-01传感器对于各种不同气体敏感性也不一样，如图4所示。因此，在某些特殊场合(例如污染气体比较单一)，可以选取不同拟合曲线来比较精确地获取当前场合实际的空气污染程度。

QS-01是以输出电阻来显示空气污染程度的，但是直接读取传感器的输出阻值(Rs)会比较困难，所以通常是读取R(负载输出电压)，以电压变动来衡量空气质量：
Rs=(Vc÷R-1)×RL
式中，Rs为传感器电阻值；Vc为供电电压；RL为输出负载；R为负载输出电压。