应用笔记 3892

iButton®传感器和温度/湿度数据记录器综述


摘要 : 本应用笔记详细介绍了一款基本iButton数据记录器,说明了该产品如何记录温度和/或湿度数据,并且给出了典型应用实例。本文说明了数据记录器的配置、测试,以及如何通过各种安全和电磁干扰(EMI)标准的认证情况。iButton可编程数据记录器使用灵活,可由用户设置、为某应用采集数据(该过程称为“任务制订”)。文章对任务制订软件进行了讨论,并给读者提供了该软件,说明了数据表述格式。

绪论

在商品交易中,需要保证客户得到具有最佳品质,并且新鲜的产品。对于多数商品交易,这就意味着在产品的整个寿命期间、在服务期间、或者在制造和交付的不同阶段,连续跟踪温度和湿度极其关键。为适应这种交易要求,Maxim开发了多款数字温度计和温度/湿度数据记录器。

数字温度计

iButton DS1920是一款数字温度计,可显示环境温度或者其附着的物体的温度。只要用一个1-Wire®探针轻触DS1920就可显示其周围环境的温度,测量范围在-55°C到+100°C之间。

温度数据记录器

Thermochron®系列iButton器件支持全球寻址,是一种专门的“跟踪器”,用来附着在工作环境温度起伏不定的产品上,而不受产品工作地点变化的影响。Thermochron体积纤小、经久耐用,可监测时间和温度,并保存这些数据。这些数据可以方便地上传并进行分析,以检测温度可能对产品造成的损害。

有多种iButton可供选择,DS1921GDS1921HDS1921Z为标准Thermochron。DS1922LDS1922TDS1922E是高容量Thermochron,具有更大的存储容量、更高的精度和分辨率。

Thermochron内嵌的计算机芯片集成了一个1-Wire收/发器、一个全球唯一地址,一个温度计、一个时钟/日历、一个历史温度记录以及一个用来存储用户数据(如发货单数据)的512字节附加存储器,比如航运舱单或任务认证证书(请参见应用笔记1200:"White Paper 7: Thermochron Mission Authentication and Security")。可循环使用的Thermochron能记录超过10年的数据。关于记录电池剩余电量的方法,请参见应用笔记3671:"DS1922/DS1923电池电量计"。

数字湿度计

Hygrochron™ iButton (DS1923)在Thermochron温度记录功能的基础上增加了一个嵌入式湿度传感器。Hygrochron盖上的微小开孔使用了一个特殊的过滤器,该过滤器允许水蒸气通过并到达内部湿度传感器,但能阻止液相水进入(图1)。Hygrochron可同时获取温度和湿度数据,记录相对湿度随时间的变化。

图1. Hygrochron数据记录仪的微型外壳以及外部过滤器如何使水蒸汽进入器件内部湿度传感器的说明
图1. Hygrochron数据记录仪的微型外壳以及外部过滤器如何使水蒸汽进入器件内部湿度传感器的说明

在温度和湿度都很关键的应用(如食品、化学品、粉料、HVAC系统)中,Hygrochron表现出了优异的性能,而且结构异常紧凑,封装便于携带。

坚固耐用的iButton几乎可以附着在任何物品上

iButton的直径为16mm (厚度相当于5个叠在一起的十美分硬币),可以毫不起眼地附着在任何物体表面,如墙壁、瓶子、提包、板条箱、货盘、空运集装箱、冰箱、半托车、铁路货运车厢,等等。iButton的不锈钢外壳可以承受污垢、湿气侵蚀,以及各种严酷的处理。

电磁兼容(EMC)、安全和食品运输认证

所有的iButton数据记录器都经过了多个独立实验室的广泛测试,通过了FCC和CE的电磁兼容(EMC)测试。DS1921G、DS1922H、DS1922T和DS1923通过了UL安全认证(UL#913标准)。这些器件都经过认证,为本质安全设备,可以工作在危险场合中。DS1921G和DS1922H还经认证达到了EN12830欧洲标准,该标准包括了冷藏、冷冻、深度冷冻/速冻食品和冰淇淋的运输、储存和配送性能以及适用性测试。所有的iButton数据记录器均经过校正/验证,属于NIST可追溯参考器件,Maxim提供了一个网络应用程序可以产生DS1922系列和DS1923等数据记录器的验证证书。更详细的信息请参见应用笔记4629:"iButton数据记录器校准及NIST认证FAQ"。

多种数据存储方式:记录表和直方图格式

Thermochron和Hygrochron iButton能够自动唤醒,并以相等的时间间隔记录带有时间戳的温度和/或湿度数据,然后将这些数据以记录表的形式记录在片上的“数据表”存储器上。标准Thermochron (DS1921G/H/Z)可以以1到255分钟的时间间隔,记录2048个读数;高容量的Thermochrons/Hygrochron可以以1秒到273小时的时间间隔,记录8192个读数。另外,Hygrochron可以同时记录温度和湿度,并且提供可选分辨率设置。

图2. 温度随时间变化的典型图。用户可设置监测的时间和温度范围。
图2. 温度随时间变化的典型图。用户可设置监测的时间和温度范围。

用户可以设置iButton如何记录数据,这称为给iButton “任务制订”。在任务制订过程中,用户选择何时进行温/湿度记录、设置采样速率以及高、低报警阈值(图2)。用户也可确定数据记录存储器存满后的动作:器件是继续记录数据并覆盖早期数据记录(称为“翻滚”(rollover)),还是简单地停止记录。iButton一旦制订了任务,就可以附着在要监测的物体之上。当到达临界温度/湿度时,就可以记录下该事件,以判断对产品质量造成损害的责任方。

标准DS1921G、H和Z型Thermochron还可用直方图的形式同时记录各个温度采样值。对于DS1921G,直方图存储器包含63个分辨率为2°C的数据箱,对于DS1921H/Z,直方图存储器包含64个分辨率为0.5°C的数据箱。每个数据箱可以存放长达10年的65 500个温度读数。直方图式的数据存储法非常适合需要进行长期监测而对精度要求不高的应用场合。更高容量的Thermochron和Hygrochron不具备直方图功能,但数据存储容量却为标准型的4倍。

Thermochron产品系列

标准Thermochron器件—DS1921G可以记录的温度范围宽达-40°C至85°C。DS1921H和DS1921Z为该器件的高分辨率版本。DS1921H设计为针对人体温度范围的应用,DS1921Z设计为针对需要在0°C附近具有高分辨率的应用。基本数据记录器的性能指标见表1

DS1922L、DS1922T和DS1922E为高容量Thermochron。DS1922L记录的温度范围为-40°C到+85°C。可记录8192字节的温度值,在-10°C到+65°C范围内,精度可由软件校正到±0.5°C。分辨率可为8位(0.5°C) 或11位(0.0625°C)。温度记录值可选择为8位或16位。与DS1922L类似,DS1922T Thermochron的温度记录范围更广(0°C到+125°C),可用于需要杀菌操作的生产过程。在+20°C到+75°C范围内,DS1922T的精度可由软件校正到±0.5°C。DS1922E记录的温度范围扩展为+15°C到+140°C。在+110°C到+140°C范围内,器件精度可校正到±1.5°C (无需软件校正)。

表1. iButton数据记录器的基本指标
Part Temperature Range (°C) Humidity Range Temperature Accuracy* (°C) Temperature Resolution (°C) Humidity Resolution Data Log Memory (Bytes)
DS1921G -40 to +85 N/A ±1 0.5 N/A 2048
DS1921H-F5 +15 to +46 N/A ±1 0.125 N/A 2048
DS1921Z-F5 -5 to +26 N/A ±1 0.125 N/A 2048
DS1922L -40 to +85 N/A ±0.5, software correction (SC) 0.5 or 0.0625 N/A 8192
DS1922T 0 to +125 N/A ±0.5 (SC) 0.5 or 0.0625 N/A 8192
DS1922E +15 to +140 N/A ±1.5 0.5 or 0.0625 N/A 8192
DS1923 -20 to +85 0 to 100% RH ±0.5 (SC) 0.5 or 0.0625 8-Bit (0.6%RH) or 12-Bit (0.04%RH) 8192

*本表所列的温度精度在器件绝大部分温度范围内有效。请参考器件的数据资料获取全范围精度数据。

Thermochron的任务制订

Thermochron或Hygrochron iButton的任务制订由PC或手持电脑完成。iButton连接至Blue Dot™接收器(一种廉价读出器接口),该接受器再连接到与计算机相连的1-Wire适配器(English only)。本网站提供免费评估软件,可用于设置开始时间、采样速率和报警阈值(见下文如何下载免费评估软件部分)。

廉价读出器接口包括:
DS1402D-DR8 Blue Dot接受器
DS9097U-S09 1-Wire至RS-232适配器
或:
DS9490R 1-Wire至USB适配器

如何下载免费评估软件

下载安装免费评估软件需具备两个条件。首先是安装1-Wire驱动,版本为4.00或以上。可以在这里下载,通过该链接还可以下载和安装OneWireViewer,OneWireViewer为一个Java™程序,支持所有的iButton系列数据记录器。当然,该软件要求PC上已安装有正确的硬件。为此,应将1-Wire适配器插到PC上,将Blue Dot接收器连接到适配器,再将Thermochron或Hygrochron插入Blue Dot接受器。然后,运行OneWireViewer,点击iButton序列号,这样就启动了编程/任务制订指南,该指南包含了制订温/湿度记录任务的全部步骤。

简要地说,包括以下步骤:
  1. 设置时钟
  2. 设置时间报警
  3. 设置采样速率
  4. 设置温/湿度报警
  5. 设置任务开始延迟
  6. 选择何时任务结束;选择是否允许数据翻滚
  7. 结束
关于如何下载、安装软件以及如何运行程序/任务的操作说明,请参考应用笔记4373:"OneWireViewer和iButton快速使用指南"和3385:"OneWireViewer用户指南"。

程序设计员:下列套件包含任务制订和下载Thermochron/Hygrochron的应用实例。

可提供开发套件

如果要快速应用Thermochron,可使用DS1921K Thermochron iButton开发套件(English only)。该套件包含所有配置Thermochron iButton并查看最终数据所必需的硬件。数据也可以保存或者导入到其他应用中。

该套件包括:
  • DS1921G Thermochron iButton
  • DS9093F iButton钥匙链配件
  • DS9490R 1-Wire至USB适配器
  • 带RJ-11连接器的Blue Dot接受器DS1402D-DR8
  • 指令表
可通过Maxim的中国代理购买DS1921K初级开发板。

Thermochron常见问题解答

请访问Thermochron常见问题解答部分(English only)。

Thermochron/Hygrochron解决方案

我们有多个开发Thermochron和Hygrochron产品相关硬件和软件的合作伙伴。包括运行于PC和手持平台上的软件产品,通过它用户可以制订任务、上传和管理数以千计的Thermochron的数据。硬件产品包括为Thermochron制订任务并读出警报状态的小型电子设备,以及针对HACCP应用的数据采集设备。有关合作伙伴的产品请参见我们的在线解决方案搜索(English only)。