因科研中需要测量温度和湿度，打算自制了一个温湿度传感器。传感芯片采用的是SHT35，单片机为STM32F103ZET6。工作原理很简单，通过I2C接口向芯片发送指令和采集数据，然后通过USART发送到上位机。先来了解一下传感器。

1. 主要功能

• 全面校准、线性、温度补偿数字输出
• 宽电压工作范围：2.15V-5.5V
• I2C通信接口，最高速度可达1MHz
• 双地址可选。
• 启动和测量速度快
• 8针DFN封装，尺寸：2.5×2.5×0.9mm

图1. 传感器内部功能模块框图

        传感器的功能框图如图1所示。内部有一个16位的ADC负责采集温度和湿度传感器的数据，然后通过校准和线性化处理，通过I2C接口与外部通信。整个模块有7个功能引脚：

 图2. 传感器芯片典型接线图。

        典型接线图如图2所示。R引脚是个空引脚，无电气功能。VDD必须通过一个100nF的电容接地。SCL和SDA需要通过上拉电阻接到VDD。从网上买的焊接好的模块（右下角所示），只引出了6个引脚，nRESET被直接连到了VDD，SCL和SDA的两个上拉电阻均为10kΩ的贴片电阻。另外，Alert引脚也通过一个贴片电容接地，ADDR引脚接了一个10k欧的下拉电阻。模块到手价53，还是比价厚道的价格，SHT35价格还是比较高的，零售价在30元上下。

2. 工作原理

        SHT35是I2C接口。工作原理很简单：将MCU的I2C设为Master，芯片的I2C作为Slave，每次读写前，Master首先向Slave发送地址，收到确认信号后再发送（设置、测量、读取等）指令。对读取指令返回的原始数据进行处理、显示或发送到上位机。

        根据芯片手册，SHT35有两个地址：ADDR引脚接低电平时，默认地址是0x44；ADDR接高电平时，地址是0x45。这种设计使得多个芯片可以连接到同一条总线上工作，通过ADDR引脚（接GPIO）进行片选。这款芯片采用的是I2C的7-bit地址标准。以ADDR接地为例：写入请求时须将地址左移1位，末位为0，即0x44<<1U；读取请求时，须左移1位然后将末位置1，即(0x44<<1U) | 0x1。这个细节极其重要，否则会因地址错误，导致传感器无应答。

        SHT35带CRC校验，所有指令都自带CRC。从机发送数据时，都会计算CRC。完整的读取温度和湿度信息需要6个字节：前2个字节为温度原始数据，第3个为温度数据的CRC，第4-5个字节为湿度原始数据，第6个字节为湿度数据的CRC。如果不需要CRC，软件中可以不进行CRC校验，但SHT35内部是一定会计算和发送CRC的。

所谓的读写指令，就是芯片厂商设计好的一组16位代码。详见下文。

3. 工作模式

1) 单次测量模式：

图3. 单次测量模式相关指令

        所谓单次测量（Single shot）模式，就是发一次指令，读一次数据。根据主I2C是否开启时钟延长和测量可靠性高、中、低（平均次数）不同，共有6组指令。如图3所示。

2) 周期性测量模式

图4. 周期性测量指令

         所谓周期性测量（Periodic data acquisition）模式，就是发一次测量指令，可以周期性地读取数据。根据可靠性和测量频率（0.5Hz-10Hz）不同，共有15组指令。如图四所示。

        周期性测量模式下，发送测量指令后，每次读取数据前必须发送Fetch Data指令：0xE000。周期测量模式下，可以发送ART（Accelerated Response Time）指令：0x2B32进行加速，该指令会强制芯片以4Hz的速度获取数据。

        退出周期模式，需发送Break指令：0x3093。退出后芯片会回到单次测量模式。

3) 报警模式

        SHT3x系列芯片提供了一个报警模式。在周期性测量模式下，可以利用Alert引脚来监控温湿度是否超过了预设的阈值。如果超过了阈值，Alert引脚的电平会发生变化，同时内置的16-bit状态寄存器的标志位会对报警原因进行标识。比如可以将Alert引脚连接到MCU的中断引脚，当出现环境参数超限时，可以用来唤醒MCU，查询传感器内部状态寄存器确定原因，然后通过外围电路进行相应的响应，例如发出声音、闪灯、提示等。

        温度和湿度的报警阈值分别由4个阈值构成。如图5所示：

图5. 报警模式的不同阈值

• HIGH Set：上限报警值。高于该值启动报警，ALERT引脚输出高电平。

• HIGH Clear：清除上限报警值。高于HIGH Set后，回落至该值以下，清除报警。
• LOW Set：下限报警值。低于该值触发报警，ALERT引脚输出高电平。
• LOW Clear：清除下限报警值。低于LOW Set后，回升至该值以上，清除报警。

这种设计可以避免在报警值附近出现快速振荡。

        阈值的设置通过向传感器写入一个16-bit的数据来实现，其中高7位为湿度阈值，第9位为温度阈值。由于温度和湿度值也是以16-bit格式来表示的，设置阈值时原始数据与阈值数据的对应关系如图6所示：

图6. 原始数据拼成阈值数据的方法

 即，截取湿度值的高7位作为阈值的高7位、温度值的高9位作为阈值的低9位。用程序表示如下：

limitVal = (rawHumidity&0xFE00)|((rawTemperature>>7)&0x001FF);

拼成一个16-bit的值后，用一个命令即可完成设置，可以提高效率。设置阈值时，温度的分辨率约0.5℃，湿度分辨率约1%。

        前述4种阈值均按相同的格式进行设置。具体是哪种阈值，则由读/写前的引导命令代码来区分。读和写入阈值的指令代码如图7所示：

图7. 读、写报警阈值的指令代码

 复位后，报警阈值会恢复图8所示的初始值。

图8. 报警阈值初始值

 特别注意：写入报警阈值时，发送地址后，指令（2bytes）、数据（2bytes）、CRC（1byte）要依次发送过去。发送数据前不能再发送地址。换言之，用HAL_I2C_Master_Transmit函数要一次性发送5个字节。

4) 状态寄存器

        传感器芯片内置了一个16-bit的状态寄存器。各功能位释义如下：

        状态读取指令：0xF32D。

        状态寄存器复位指令：0x3041。清除所有状态位（置0）。

5) 其它指令

        软件复位指令：0x30A2。该指令使芯片控制器复位并重新加载校准数据。

        加热器开/关指令：0x306D/0x3066。内部加热器，仅供芯片测试使用。

        另外还有预警阈值设置等。详见手册或官方例程，不再赘述。

搞懂了硬件的工作原理，接下来基于HAL库编写驱程。

后文链接：

• I2C通信实例 - SHTx温湿度传感器 02
• I2C通信实例 - SHTx温湿度传感器 03