【开发历程】STM32F4之SHT31-DIS温湿度传感器完整学习历程（附模块化程序代码，带详细注释）
前言
本人萌新一枚，学习了STM32之后想自己调点什么练练手，于是打开淘宝。本来想买一块DHT11，翻着翻着就发现了这块小板。本着调就调没调过的原则，从店家购买了SHT31模块。买了后才发现，网上相关的中文资料很少，店家给的资料也没有多少中文。于是不得不走上啃英文手册的道路。这是本人第一次STM32F4实战，第一次IIC通信调试，也是第一次通过翻英文手册自主独立调试。前前后后调了好几天，终于写通。写这篇历程，主要是为了回顾调试过程，以便查缺补漏，看看能不能解决一些当时没能解决的疑问。如果我的学习历程能帮助到大家，自然更好。还要感谢许多相关博客也解决了我许多疑问，同时吹一波谷歌翻译。小白进行STM32F4的IIC通信实战，难免有许多问题。如有不足，欢迎指正。如果有实在谬误荒诞之处，就当博诸君一笑。
第一部分 SHT31传感器介绍
1.1芯片简介
SHT3X系列是由瑞士Sensirion生产的高精度温湿度传感器，也是Sensirion公司目前主打的温湿度传感器系列。现在网上常见的相关资料调试的基本上以SHT30为主，SHT31则较少。当然，现在官网上还有了更高级的SHT35系列，那就是后话了。
这次采用的SHT31-DIS传感器允许宽电压输入，支持2.4V~5.5V（官网标注的实际SHT31系列最低支持电压为2.15V）。采用IIC总线通信，最高可达1MHz的通信速度。并根据ADDR引脚的接法，提供两个可选的地址。传感器的精度为2%RH和0.3℃。传感器最大工作范围-40-125℃，0-100%RH。原装芯片有8个引脚。
还有一点要注意的是SHT31的最佳工作环境是20℃-60℃，20%RH-80%RH已知当传感器暴露在>80%RH的工作环境下超过60小时后，会出现+3%RH的偏差。(不得不吐槽一句，超过80%的空气湿度在南方是分分钟的事，这就顶不住了，难道瑞士很干燥吗?好像确实比较干燥 )不过这个误差是可逆的，在回到最佳工作环境后，还能慢慢校准回来。但是还是会加速传感器老化。
通过查资料，才知道原来还有一个不提供数字接口，直接输出比例模拟电压的SHT3X-ARP系列。如果感兴趣，可以自行搜索。
1.2 引脚介绍
芯片总共有8个引脚
1.SDA :IIC数据线引脚
2.ADDR :地址引脚，可连接VSS或VDD，分别会有不同的地址。不能浮空。
3.ALERT :报警引脚，如果使用，建议接到单片机的外部中断。不用的话建议浮空。
4.SCL :IIC时钟线引脚
5. VDD :电压输入引脚
6.nRESET :复位引脚，低电平有效。如果不用，建议接到VDD。
7.R :没有电气作用的“没卵用“”引脚，连接到VSS
8. VSS :接地
（附上官方推荐的典型应用电路）
1.3命令和模式介绍
首先看一下地址
很明显，当传感器ADDR引脚接VSS时，采用地址A；当传感器ADDR引脚接VDD时，采用地址B。
传感器支持单次数据采集模式和周期性数据采集模式。其实单次数据采集模式下，可选时钟延伸，而周期性数据采集默认开始数据延伸。这里我们默认采用周期性数据采集模式。
SHT3X支持12种工作模式，分别有高，中，低三档可选刷新率。mps=0.5,1,2…时，分别代表每两秒采集一次数据，每秒采集一次数据，每秒采集两次数据…
如希望设定高刷新率，每秒采集一次。那么向传感器写命令0x2130即可。注意当采用mps=10时，会导致传感器自发热，影响测量。
工作顺序为：先发送IIC通信开始标志Start后，写入左移一位的地址，并将空出来的位写0表示写数据。当收到传感器应答后，即可发送命令的高八位，再次等待应答，再发送余下的低八位。然后等待ACK应答即可。
其他命令同理，大部分都是同样的写入模式。
1.4 重要命令及其工作流程
那么我们看几条重要的命令及其工作流程。
设置好工作模式后写入此命令，可以准备好接受数据。先发送IIC通信开始标志Start后，写入左移一位的地址，并将空出来的位写1表示读数据。然后等待ACK应答即可接受数据。注意数据传输顺序是先温度后湿度。并且都是十六位数据。并且每个数据后都附8位的CRC校验。在完成湿度的CRC校验后，即可回复NACK，传感器将停止发送数据，释放SDA线，以便于MCU发送Stop标志，结束通信。
这个Break命令不能Break别的，就是只能Break周期性采集模式。写入后将进入单次采集模式。手册建议，在开启周期性采集模式下，如果要写入命令，先写入Break命令，再写入其他命令。
软复位命令
1.5 SHT3X状态寄存器
SHT3X的状态寄存包含了许多相关状态，可以方便我们查看传感器状态以及命令的执行情况。
读寄存器状态将会返回一个16位的数据。这个数据包含许多信息状态，我们不一一赘述，这里我们关注两个信息。
先上表：
这里我关注的是第0位和第1位
0 命令状态 ： 读为0时，说明上一条命令执行成功；读为1时，说明上一条命令执行失败。
1 CRC状态 ： 读为0时，说明CRC校验成功；读为1时，说明CRC校验失败。
至于为什么关注这两位，下面再说。
还有一个命令
这个命令可以清除寄存器的4,10,11,15位。
第二部分 代码分解
IIC部分，由于我也是初学IIC，IIC通信代码都还是对着正点原子的照猫画虎。而且这是SHT3X的学习历程，而非IIC的学习历程，时序图也并没有什么好说的。索性直接贴上代码，以作参考。
#include "iic.h"
#include "delay.h"
/*********************************************************
函数名：IIC_Init()
描述：IIC初始化
入口参数：无
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Init()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
IIC_SCL=1; //先拉高
IIC_SDA=1;
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Start()
描述：IIC起始信号
入口参数：无
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Start()
{
SDA_OUT(); //SDA输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;
delay_us(4);
IIC_SCL=1; //钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Stop()
描述：IIC结束信号
入口参数：无
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Stop()
{
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=1;
delay_us(4); //发送总线结束信号
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Send_Ack()
描述：发送应答信号Ack
入口参数：无
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Send_Ack()
{
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Send_NAck()
描述：发送不应答信号NAck
入口参数：无
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Send_NAck()
{
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Wait_Ack(void)
描述：等待Ack应答
入口参数：无
出口参数；接受失败返回1，成功返回0
附加信息：
说明：
*********************************************************/
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SCL=1;delay_us(1);
IIC_SDA=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;
return 0;
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Write_Byte(u8 date)
描述：IIC写入一个字节
入口参数：需要写入的字节
出口参数；无
附加信息：
说明：
*********************************************************/
void IIC_Write_Byte(u8 date)
{
u8 a,b;
u8 i;
a=date;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
b=(a&0x80)>>7;
a=a<<1;
IIC_SDA=b; //准备好数据
IIC_SCL=0;
delay_us(1);
IIC_SCL=1;
delay_us(1);
IIC_SCL=0;
}
}
/*********************************************************
函数名：IIC_Read_Byte(u8 ack)
描述：IIC读一个字节
入口参数：返回ACK标志
出口参数；数据date
附加信息：ack=1时，发送ACK，ack=0时，发送NACK。
说明：
*********************************************************/
u8 IIC_Read_Byte(u8 ack)
{
u8 i,date=0;
IIC_SDA=0;
SDA_IN(); //设置SDA为输入
for(i=0;i<8;i++)
{
IIC_SCL=0;
delay_us(1);
IIC_SCL=1;
date<<=1;
if(READ_SDA) date++;
delay_us(1);
IIC_SCL=0;
}
if(ack)
IIC_Send_Ack(); //发送ACK
else
IIC_Send_NAck(); //发送NACK
return date;
}
下面进入SHT3X代码，先贴上头文件。自从从51升级到32，学习了库函数之后，就再也不想在入口参数处写数字了，于是我把一些标志，命令和地址封装了起来，如下。其中还有一些我没有提到的命令，由于一般用不太到，我上面没有提。但是，以防万一，为了将来方便，一起封装了起来。
函数的顺序可能有些乱，还请见谅。
#ifndef _SHT3X_H
#define _SHT3X_H
#include "sys.h"
#include "iic.h"
//ADRESS
#define SHT3X_ADRESS_A 0x44 //ADDR引脚接VSS时地址
#define SHT3X_ADRESS_B 0x45 //ADDR引脚接VDD时地址
#define SHT3X_GENERALL_CALL_ADRESS 0X0006 //广播复位地址，可触发同硬复位一样效果
//COMMAND
#define Mode_Set_A 0x2C0D //这里设定为单次采样模式。中断刷新率，开启时钟延伸。
#define Mode_Set_B 0x2322 //这里设定为周期采样模式。每秒四次，中等刷新率。默认开启时钟延伸。注意每秒10次时会导致器件发热。
#define Fetch_Data 0xE000 //获取数据命令
#define ART_ON 0x2B32 //打开ART定期测量
#define Break_Periodic_Mode 0x3093 //中断周期采样模式。这里会回到单次采样模式。
#define Soft_Reset 0x30A2 //传感器软复位，注意只有传感器处于空闲状态才能接受成功。
#define Heater_Enable 0x306D //加热器使能
#define Heater_Disable 0x3066 //加热器禁用
#define Read_Status 0xF32D //读状态寄存器
#define Clear_Status 0x3041 //清部分状态位
//FLAG
#define R_H 0
#define T_C 1
#define T_F 2
#define CRC_ON 1
#define CRC_OFF 0
#define ACK 1
#define NACK 0
#define write 0
#define read 1
#define Repeatability_Low 0
#define Repeatability_Medium 1
#define Repeatability_High 2
#define MPS_0_5 0
#define MPS_1 1
#define MPS_2 2
#define MPS_4 3
#define MPS_10 4
#define CRC_Statues 0
#define Command_Statues 1
//DATE PROCESS 将原始量转化为物理量
#define SHT3X_TC(date) (175 * (float)date / 65535 -45) //摄氏度处理
#define SHT3X_TF(date) (315 * (float)date / 65535 -49) //华氏度处理
#define SHT3X_RH(date) (100 * (float)date / 65535) //相对湿度处理
void SHT3X_Init(void);
void SHT3X_Write(u16 code);
void SHT3X_Write_Command(u16 code);
void SHT3X_Wait_Ack(u8 f);
void SHT3X_Get_Vlaue(void);
void SHT3X_Mode_Set(u8 mps,u8 re);
void SHT3X_Statues_Process(u8 f,u16 sta);
u8 SHT3X_CRC_Calculation(u16 date);
void SHT3X_CRC_Check(u8 t,u8 ack,u16 date);
float SHT3X_Date_Process(u8 Flag,u16 date);
u16 SHT3X_Read_Date(u8 ack);
u16 SHT3X_Get_Status(void);
#endif
下面正式进入SHT3X.c文件
由于我也是第一次使用IIC通信，遇到了许多问题。比如CRC总是出错，ACK接受不到等。我又没有示波器，实在是没法仔细对照解决通信问题。于是遂采用了伪CRC验证，和伪接受ACK。
#include "SHT3X.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
/*********************************************************
函数名：SHT3X_Wait_Ack()
描述：SHT3X等待Ack
入口参数：标志f
出口参数；f=1，收不到ack重启通信
f=0，收不到也不重启
附加信息:
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Wait_Ack(u8 f)
{
u8 flag=1;
flag=IIC_Wait_Ack();
if(f) //这里我索性全用的0，采用1的时候好像会陷入死循环。
{if(flag) SHT3X_Init();}
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_Init()
描述：SHT3X初始化
入口参数：无
出口参数；无
附加信息:
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Init()
{
IIC_Start();
IIC_Write_Byte(SHT3X_ADRESS_B<<1|write); //这里默认ADDR引脚接VDD，采用地址B。且地址左移一位，并补0，准备写数据
SHT3X_Wait_Ack(0);
SHT3X_Mode_Set(MPS_4,Repeatability_Medium); //直接用之前封装好的
SHT3X_Wait_Ack(0);
}
/*********************************************************
函数名:SHT3X_Get_Vlaue()
描述：一键取值函数
入口参数：无
出口参数；无
附加信息:
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Get_Vlaue()
{
SHT3X_Write_Command(Fetch_Data);
IIC_Start(); //准备接受数据
IIC_Write_Byte(SHT3X_ADRESS_B<<1|read); //采用地址B，并左移一位，补1，准备读数据。
SHT3X_Wait_Ack(0);
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_Write(u16 code)
描述：SHT3X写16位数据/命令
入口参数：无
出口参数；无
附加信息:
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Write(u16 code)
{
unsigned int MSB,LSB;
u16 date;
date=code; //这里采用移位的办法让MSB和LSB分别获得高八位和低八位。
MSB=code>>8; //先把数据右移八位让MSB获得高八位
date=date<<8; //再把原数据左移八位
LSB=date>>8; //然后把左移过八位的数据再右移八位移回，从而使LSB获得低八位
IIC_Write_Byte(MSB); //写MSB高八位
SHT3X_Wait_Ack(0);
IIC_Write_Byte(LSB); //写LSB低八位
SHT3X_Wait_Ack(0);
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_Write_Command(u16 code)
描述：SHT3X直接写入命令
入口参数：要写入的命令
出口参数；无
附加信息:把整个写命令的流程打包，实现一个函数写命令
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Write_Command(u16 code)
{
IIC_Start();
IIC_Write_Byte(SHT3X_ADRESS_B<<1|write); //这里默认ADDR引脚接VDD，采用地址B
SHT3X_Wait_Ack(0);
SHT3X_Write(code); //写入命令
SHT3X_Wait_Ack(0);
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_Read_Date(u8 ack)
描述: 读数据
入口参数：ack
出口参数；16位date
附加信息:ack=1时，发送ack。ack=0时，返回nack
说明:
*********************************************************/
u16 SHT3X_Read_Date(u8 ack)
{
u8 i;
u16 MSB,LSB;
u16 date;
MSB=IIC_Read_Byte(1); //读完一个字节后返回ACK
LSB=IIC_Read_Byte(1); //读完一个字节后返回ACK
for(i=0;i<8;i++) //相当于把MSB左移八位
{
MSB=MSB*2;
}
date=MSB+LSB; //然后加合MSB与LSB，重新拼接获得原数据
return date;
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_CRC_Calculation(u16 date)
描述: CRC数据和计算
入口参数：CRC校验的数据
出口参数；crc
附加信息:
说明:
*********************************************************/
u8 SHT3X_CRC_Calculation(u16 date)
{
u8 i,j=0;
u32 crc,p=0x31;
crc=date;
crc<<=8;
p<<=16;
for(i=0;i<8;i++)
{
while(!((crc&0x800000)>>23)) {p>>=1; j++;} //对齐最高位
crc=crc&p;
if(j==15) break;
}
return crc;
}
/*********************************************************
函数名：SHT3X_CRC_Check(u8 t,u8 ack,u16 date)
描述: CRC数据和检测
入口参数：16位数据，ack标志，t标志
出口参数；无
附加信息: ack=1时，发送ack。ack=0时，发送nack。
t=1时，启动校验。t=0时，进行伪校验。
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_CRC_Check(u8 t,u8 ack,u16 date)
{
u8 crc_re,crc_ca;
crc_re=IIC_Read_Byte(ack);
if(t)
{
crc_ca=SHT3X_CRC_Calculation(date);
if(crc_ca!=crc_re) SHT3X_Read_Date(ack);
}
if(!ack) IIC_Stop();
}
/*********************************************************
函数名： SHT3X_Date_Process(u8 Flag);
描述: 数据处理
入口参数：flag标志
出口参数；浮点型Date
附加信息: flag=0，返回RH
flag=1，返回TC
flag=2，返回TF
说明:
*********************************************************/
float SHT3X_Date_Process(u8 Flag,u16 date)
{
float Date;
if(Flag==2) Date=SHT3X_TF(date);
if(Flag==1) Date=SHT3X_TC(date);
if(Flag==0) Date=SHT3X_RH(date);
return Date;
}
/*********************************************************
函数名： SHT3X_Mode_Set(u8 mps,u8 re)
描述: 模式选择设置
入口参数：标志mps,re
出口参数；无
附加信息: 注意，mps设定为10时会导致器件发热
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Mode_Set(u8 mps,u8 re)
{
if(mps==0)
{
if(re==0) SHT3X_Write_Command(0x202F);
else if(re==1) SHT3X_Write_Command(0x2024);
else if(re==2) SHT3X_Write_Command(0x2032);
}
else if(mps==1)
{
if(re==0) SHT3X_Write_Command(0x212D);
else if(re==1) SHT3X_Write_Command(0x2126);
else if(re==2) SHT3X_Write_Command(0x2130);
}
else if(mps==2)
{
if(re==0) SHT3X_Write_Command(0x222B);
else if(re==1) SHT3X_Write_Command(0x2220);
else if(re==2) SHT3X_Write_Command(0x2236);
}
else if(mps==3)
{
if(re==0) SHT3X_Write_Command(0x2329);
else if(re==1) SHT3X_Write_Command(0x2322);
else if(re==2) SHT3X_Write_Command(0x2334);
}
else if(mps==4)
{
if(re==0) SHT3X_Write_Command(0x272A);
else if(re==1) SHT3X_Write_Command(0x2721);
else if(re==2) SHT3X_Write_Command(0x2737);
}
}
/*********************************************************
函数名： SHT3X_Get_Status(void)
描述: 读传感器模式寄存器
入口参数：无
出口参数；16位传感器状态数据
附加信息: 0位为CRC校验状态位
1位为命令状态位
说明:
*********************************************************/
u16 SHT3X_Get_Status(void)
{
u16 sta;
SHT3X_Write_Command(Read_Status);
IIC_Start(); //准备接受数据
IIC_Write_Byte(SHT3X_ADRESS_B<<1|read);
SHT3X_Wait_Ack(0);
sta=SHT3X_Read_Date(ACK);
SHT3X_CRC_Check(CRC_OFF,NACK,sta);
return sta;
}
/*********************************************************
函数名： SHT3X_Statues_Process(u8 f,u16 sta)
描述: 传感器状态数据处理并送串口传输
入口参数：标志f，读得传感器状态数据sta
出口参数；CRC校验状态或命令执行状态
附加信息:
说明:
*********************************************************/
void SHT3X_Statues_Process(u8 f,u16 sta)
{
u16 crc,com;
crc=sta&0x01;
sta>>=1;
com=sta&0x01;
if(f)
{
if(com)
printf("command failed\r\n");
else
printf("command succeed\r\n");
}
else
{
if(crc)
printf("crc failed\r\n\r\n");
else
printf("crc succeed\r\n\r\n");
}
}
设计是传感器采集好温湿度，然后通过串口发送给上位机。其中usart是直接采用的原子哥的usart函数文件下面附上主函数代码。
#include "stm32f4xx.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "iic.h"
#include "SHT3X.h"
/********************************************************************************************
SHT3x-DIS温湿度模块，采用STM32F407ZET6做主控芯片，模拟IIC通信
引脚： SDA-->PB9
SCL-->PB8
AL -->FLOATING
AD -->VSS
********************************************************************************************/
int main(void)
{
float RH,T; //储存温湿度数据
u16 sta; //储存状态数据
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //中断优先级分组设定
delay_init(168);
uart_init(115200);
printf("USART Ready\r\n");
IIC_Init(); //IIC初始化
SHT3X_Init(); //SHT3X初始化,设定工作模式
while(1)
{
SHT3X_Get_Vlaue(); //SHT3X读值准备
T=SHT3X_Read_Date(ACK); //读温度数据
SHT3X_CRC_Check(CRC_OFF,ACK,T); //读CRC，伪CRC验证，只读取，不检验
RH=SHT3X_Read_Date(ACK); //读湿度数据
SHT3X_CRC_Check(CRC_OFF,NACK,RH); //伪验证
T=SHT3X_Date_Process(T_C,T); //数据处理
RH=SHT3X_Date_Process(R_H,RH);
sta=SHT3X_Get_Status(); //读状态
printf("SHT31 measuring...\r\n"); //送串口显示
printf("C :%.2fC \r\n",T);
printf("RH:%.2f%% \r\n",RH);
SHT3X_Statues_Process(Command_Statues,sta); //数据处理，同时送串口显示
SHT3X_Statues_Process(CRC_Statues,sta);
delay_ms(2000);
}
}
第三部分 硬件连接
我从淘宝上买的小板上好像没啥可选的，商家帮我直接吧nRESET脚接VDD了，那行吧。
我的代码是把SCL接PB8，SDA接PB9，ADDR接了VDD，ALERT浮空。原子哥的串口好像是采用的串口1。
第四部分 效果展示
在我代码大体完工后，经过一天的调试后，终于成功写通。
刚刚复位后，第一次返回值会出现满读数的情况，之后一切正常。可以看到我们的command succeed，crc succeed。说明伪CRC验证成功，伪ACK接收成功。
这样，我们的代码就算大体成功了。当然还有许多问题，但是基本功能的实现已经完成。当然欢迎各位大佬对我的错误进行指正，同时也希望能帮助到有需要的人。