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  • Arduino I2C + 温湿度传感器HTS221

    主要特性

    HTS221是意法半导体（STMicroelectronics）生产的小体积、数字式温湿度传感器IC。该IC目前在官网仍处在“评估”状态。其主要特性：

    • 工作电压：1.7~3.6V
    • 数据输出频率(ODR)可设：1Hz ~ 12.5Hz
    • 低功耗：2μA@1Hz ODR
    • 温度精度：给出误差典型值+/-0.5°C, 15~40°C；但注明“Typical specifications are not guaranteed.”。无误差最大值信息。
    • 湿度精度：给出误差典型值+/-4.5%RH, 20~80%RH；同样注明“Typical specifications are not guaranteed.”。无误差最大值信息。
    • 内置16-bit ADC
    • 接口：I2C或3-wire SPI
    • 出厂已校准，但需要用户自行读取校准信息、并计算校准后的结果
    • 封装：2 x 2 x 0.9mm HLGA-6L封装，是已知同类传感器中体积最小的
    • 片上集成加热器（heater）

    管脚定义

    和其他的温湿度传感器比，HTS221的芯片管脚功能更多、也略显复杂：

    • VDD：电源，支持1.7~3.6V电压
    • GND：地
    • CS：I2C/3-wire SPI接口选择，当CS=1时为I2C接口，反之为3-wire SPI接口。默认为1。
    • SCL/SPC：I2C或3-wire SPI接口的时钟线，由CS选择。
    • SDA/SDI/SDO：I2C或3-wire SPI接口的数据线，由CS选择。
    • DRDY：提供Data Ready信号输出。当测量完成、有温湿度数据可供读取时，DRDY为高电平；当无温湿度数据、或温湿度数据已被读取完毕后，DRDY为低电平。该功能也可以通过设置控制寄存器（CTRL_REG3）关闭。

    与Arduino的连接

    虽然HTS221支持I2C、3-wire SPI接口。对于3-wire SPI接口，其数据输入/输出(SDI/SDO)共用一条信号线，不同于Arduino的四线制SPI，有MOSI、MOSI信号线的区分。因此还是通过I2C接口连接。由于Arduino UNO正常工作在5V电压下，因此二者的连接还需要I2C Logic Level Converter。留意Converter带了I2C总线所需的上拉电阻。

    功能调试

    1. HTS221内置不少寄存器，每个寄存器都有一个8bit的子地址（sub-address）。在操作时，既可以单独对某个地址的寄存器进行I2C读/写，也可以在一次I2C命令中对连续的多个地址的寄存器进行读/写。

    2. 手册没有给出每次测量所需的测量时间，实测默认配置下one shot测量用时约3ms。代码中通过读取STATUS_REG寄存器，来判断一次测量是否完毕。也可以通过读取DRDY管脚信号进行判断。

    3. HTS221将出厂前的校准信息保存在内部寄存器中，温度校准有两对数据：t0 & t0out, t1 & t1out，湿度校准亦有两对数据：h0 & h0t0out, h1 & h1t0out。从命名上看，湿度校准数据是在t0温度下做的。MCU将HTS221温湿度输出值得到后，还需要利用这两组校正数据进行反推（线性插值），继而获得所代表的温湿度测量结果。代码在初始化部分，读取了四组校准数据并打印了出来。
        为什么不能像其他传感器那样，读出来的值就是计算好的最终结果呢？

    4. Arduino库自带的map()只能对整型进行操作，因此将其改成了对浮点数进行操作。

    5. 从测量结果上看，湿度动辄75%以上，明显偏高不少。

    6. 尝试用中断函数捕获DRDY上升沿，进而在中断函数中进行数据读取。可是不知为何，中断函数会卡在对I2C的操作上。

    测试代码

      1 /*
  2 Measurement of relative humidity and temperature using HTS221
  3 */
  4 
  5 #include <Wire.h>
  6 
  7 #define ADDRESS_HTS221 0x5F
  8 #define CTRL_REG1 0x20
  9 #define CTRL_REG2 0x21
 10 #define STATUS_REG 0x27
 11 #define HUMIDITY_OUT_L_REG 0x28
 12 #define T0_degC_x8 0x32
 13 #define T0_OUT 0x3C
 14 #define H0_rH_x2 0x30
 15 #define H0_T0_OUT 0x36
 16 #define H1_T0_OUT 0x3A
 17 
 18 byte buffer[] = {0, 0, 0, 0};
 19 byte status = 0;
 20 
 21 float t0, t1, h0, h1;
 22 int t0out, t1out, h0out, h1out;
 23 
 24 int outHumi = 0;
 25 int outTemp = 0;
 26 float valueHumi = 0;
 27 float valueTemp = 0;
 28 
 29 void setup()
 30 {
 31     Wire.begin();
 32     Serial.begin(9600);
 33 
 34     //turn on the HTS221, set the update mode to one shot
 35     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
 36     Wire.write(CTRL_REG1);
 37     Wire.write(0x84);
 38     Wire.endTransmission();
 39 
 40     ReadCaliData();
 41 
 42     //print the calibration coefficients
 43     Serial.println("Calibration coefficients: ");
 44     Serial.print("t0 = "); Serial.print(t0); Serial.print(" `C, t0out = "); Serial.println(t0out);
 45     Serial.print("t1 = "); Serial.print(t1); Serial.print(" `C, t1out = "); Serial.println(t1out);
 46     Serial.print("h0 = "); Serial.print(h0); Serial.print(" \%RH, h0out = "); Serial.println(h0out);
 47     Serial.print("h1 = "); Serial.print(h1); Serial.print(" \%RH, h1out = "); Serial.println(h1out);
 48     Serial.println("------------------------");
 49 }
 50 
 51 void loop()
 52 {
 53     //perform a measurement
 54     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
 55     Wire.write(CTRL_REG2);
 56     Wire.write(0x01);
 57     Wire.endTransmission();
 58 
 59     //check the status
 60     status = 0;
 61     while (status != 0x03) //typical conversition time: 3ms
 62     {
 63         delayMicroseconds(3000);
 64         Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
 65         Wire.write(STATUS_REG);
 66         Wire.endTransmission();
 67 
 68         Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 1);
 69         if(Wire.available() >= 1)
 70         {
 71             status = Wire.read(); 
 72         }
 73         delayMicroseconds(500);
 74         // Serial.println(status, HEX);
 75     }
 76 
 77     //read multiple bytes incrementing the register address
 78     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
 79     Wire.write(HUMIDITY_OUT_L_REG | 0x80);
 80     Wire.endTransmission();
 81 
 82     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 4);
 83     if (Wire.available() >= 4)
 84     {
 85         for (byte i = 0; i < 4; i++)
 86         {
 87             buffer[i] = Wire.read();
 88         }
 89     }
 90 
 91     outHumi = (buffer[1] << 8) | buffer[0];
 92     outTemp = (buffer[3] << 8) | buffer[2];
 93 
 94     valueTemp = mapFloat(outTemp, t0out, t1out, t0, t1);
 95     valueHumi = mapFloat(outHumi, h0out, h1out, h0, h1);
 96     Serial.print(valueTemp); Serial.print(" `C, ");
 97     Serial.print(valueHumi); Serial.println(" \%RH");
 98 
 99     delay(4000);
100 }
101 
102 void ReadCaliData()
103 {
104     //read out t0degCx8, t1degCx8
105     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
106     Wire.write(T0_degC_x8 | 0x80);
107     Wire.endTransmission();
108     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 4);
109     if (Wire.available() >= 4)
110     {
111         for (byte i = 0; i < 4; i++)
112         {
113             buffer[i] = Wire.read();
114         }
115     }
116     word t0degCx8 = ((buffer[3] & 0b00000011) << 8) | buffer[0];
117     word t1degCx8 = ((buffer[3] & 0b00001100) << 6) | buffer[1];
118     t0 = t0degCx8/8.0;
119     t1 = t1degCx8/8.0;
120 
121     //read out t0out, t1out
122     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
123     Wire.write(T0_OUT | 0x80);
124     Wire.endTransmission();
125     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 4);
126     if (Wire.available() >= 4)
127     {
128         for (byte i = 0; i < 4; i++)
129         {
130             buffer[i] = Wire.read();
131         }
132     }
133     t0out = (buffer[1] << 8) | buffer[0];
134     t1out = (buffer[3] << 8) | buffer[2];
135 
136     //read out h0RHx2, h1RHx2
137     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
138     Wire.write(H0_rH_x2 | 0x80);
139     Wire.endTransmission();
140 
141     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 2);
142     if (Wire.available() >= 2)
143     {
144         for (byte i = 0; i < 2; i++)
145         {
146             buffer[i] = Wire.read();
147         }
148     }
149     byte h0RHx2 = buffer[0];
150     byte h1RHx2 = buffer[1];
151     h0 = h0RHx2/2.0;
152     h1 = h1RHx2/2.0;
153 
154     //read out h0t0Out
155     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
156     Wire.write(H0_T0_OUT | 0x80);
157     Wire.endTransmission();
158     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 2);
159     if (Wire.available() >= 2)
160     {
161         for (byte i = 0; i < 2; i++)
162         {
163             buffer[i] = Wire.read();
164         }
165     }
166     h0out = (buffer[1] << 8) | buffer[0];
167 
168     //read out h1t0Out
169     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
170     Wire.write(H1_T0_OUT | 0x80);
171     Wire.endTransmission();
172     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, 2);
173     if (Wire.available() >= 2)
174     {
175         for (byte i = 0; i < 2; i++)
176         {
177             buffer[i] = Wire.read();
178         }
179     }
180     h1out = (buffer[1] << 8) | buffer[0];
181 }
182 
183 float mapFloat(int x, int in_min, int in_max, float out_min, float out_max)
184 {
185   return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
186 }
    View Code

    首先打印HTS221保存的校准信息，之后会每隔4秒触发一次测量并打印结果：

    结论

    与Si7021比，HTS221（under evaluation）的体积更小、接口更丰富，使用更灵活，但在硬件接口和软件操作上都略显复杂。精度上，datasheet也并未给出已验证的典型误差和最大误差，实测湿度误差较大。

    参考资料

    HTS221 Capacitive digital sensor for relative humidity and temperature
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