STM32 驱动温湿度传感器 HTU21D

前言：

为了方便查看博客，特意申请了一个公众号，附上二维码，有兴趣的朋友可以关注，和我一起讨论学习，一起享受技术，一起成长。

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github：my github

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注：博客所涉及的关于 stm32 的代码，均在仓库【stm32f013_study】下，包括底层驱动和应用测试代码。
本文设计的文件包含：
（1）drvsfi2c.c：软件模拟 i2c 驱动实现
（2）app_htu21d.c：HTU21D测试实现
（3）头文件：
drvsfi2c.h ： 软件模拟I2C；
app_htu21d.h：HTU21D应用测试；

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1. 简介

法国 Humirel 公司新一代 HTU21D 温度和湿度传感器在尺寸与智能方面建立了新的标准：它嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚 DFN 封装， 底面 3 x 3mm ，高度 1.1mm。传感器输出经过标定的数字信号，标准 I2C 格式。

HTU21D 温度和湿度传感器为 OEM 应用提供一个准确可靠的温湿度测量数据。通过一个微控制器的接口和模块连接达到温度和湿度数字输出。HTU21D 的分辨率可以通过输入命令进行改变（8/12bit 乃至12/14bit 的 RH/T），传感器可以检测到电池低电量状态，并且输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

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2. 规格参数

25 摄氏度，3.3V 供电时的电气特性如下：

数据手册下载地址如下：

温湿度敏感芯片传感器HTU21D

印刷板设计注意：

如果 SCL 和 SDA 信号线相互平行并且非常接近，有可能导致信号串扰和通讯失败。解决方法是在两个信号线之间放置 VDD 或 GND，将信号线隔开，或使用屏蔽电缆。此外，降低 SCL 频率也可能提高信号传输的完整性。须在电源引脚（VDD， GND）之间加一个100nF 的去藕电容，用于滤波。此电容应尽量靠近传感器。

引脚定义：

本实验采用的为成品 HTU21D 模块，直接与 STM32 开发板连接即可。

引脚	说明
电源引脚 (VDD, GND)	HTU21 的供电范围为 1.8VDC - 3.6VDC，推荐电压为 3.0V。电源（VDD）和接地（VSS）之间须连接一个0.1uF的去耦电容，且电容的位置应尽可能靠近传感器。
串行时钟输入(SCK)	SCK 用于微处理器与 HTU21 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK 频率。
串行数据 (DATA)	DATA 引脚为三态结构，用于读取传感器数据。当向传感器发送命令时, DATA 在 SCK 上升沿有效且在 SCK 高电平时必须保持稳定。 DATA 在 SCK 下降沿之后改变。当从传感器读取数据时, DATA 在 SCK 变低以后有效，且维持到下一个 SCK 的下降沿。为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如： 10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中。

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3. 通讯过程

Htu21d 遵循标准的 IIC 进行通信，关于 IIC 的介绍请看—>IIC专题（一）——基础知识准备。本文设计也多参考此篇文章–>STM32F10x_模拟I2C读写EEPROM。

3.1 IIC 启动信号

启动传输，发送一位数据时，包括 DATA 线在 SCK 线高电平期间一个向低电平的跳变。

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_Start
//	功能说明: I2C起始信号
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
void I2c_Start(void)
{
	I2C_SDA_1();						//拉高SDA线
	I2C_SCL_1();						//拉高SCL线
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);					//延时，速度控制
	
	I2C_SDA_0();						//当SCL线为高时，SDA线一个下降沿代表开始信号
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);					//延时，速度控制
	I2C_SCL_0();	
}

3.2 IIC停止信号

终止传输，停止发送数据时，包括 DATA 线在 SCK 线高电平期间一个向高电平的跳变。

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_Stop
//	功能说明: I2C停止信号
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
void I2c_Stop(void)
{
	I2C_SDA_0();
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	
	I2C_SCL_1();
	I2C_SDA_1();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
}

3.2 IIC 数据传输

SCL 时钟电平为低， 可以改换 SDA 数据线的电平，在 SCL 上升沿的过程将 SDA数据发送出去。SCL 为高电平时，SDA 上的数据保持稳定。

I2C 是以字节（8位）的方式进行传输，总线上每传输完 1 字节之后会有一个应答信号，应答信号总是由接收方来产生。通信过程的时钟由主器件(主机)提供。

IIC 写一字节:

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_SendOneByte
//	功能说明: I2C发送一个字节数据
//	形    参: 
//				_ucData:发送的一字节数据
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
void I2c_SendOneByte(uint8_t _ucData)
{
	uint8_t ucCnt = 0;
	
	I2C_SDASetOutput();	//SDA设置为输出(若IO为开漏,无需进行方向切换)
	for(ucCnt = 0; ucCnt < 8; ucCnt++)
	{
		I2C_SCL_0();		//SCL低电平,允许数据改变
		I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
		
		if(_ucData & 0x80)		//从高位开始传输
		{
			I2C_SDA_1();		
		}
		else
		{
			I2C_SDA_0();		
		}
		
		_ucData <<= 1;
		I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
		
		I2C_SCL_1();		//数据稳定,发送给从机
		I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	}
	I2C_SCL_0();		//第9个时钟,SCL低电平,等待应答信号来到
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
}

数据发送结束，进行应答操作。

0：表示从机应答，可以继续下一步操作；
1：表示从机非应答，不能进行下一步操作。

IIC 读一字节：

IIC 读取操作类似于发送，只是传输数据方向相反。

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_RecvOneByte
//	功能说明: I2C接收一个字节数据
//	形    参: 
//				_ucAck:应答判断(0:给出应答;1:给出非应答)
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
uint8_t I2c_RecvOneByte(uint8_t _ucAck)
{
	uint8_t ucCnt = 0, ucData = 0;
	
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	
	I2C_SDA_1();
	
	I2C_SDASetInput();		//切换SDA传输方向
	
	for(ucCnt = 0; ucCnt < 8; ucCnt++)
	{
		I2C_SCL_1();		//SCL高电平时SDA上的数据达到稳定
		I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);		//延时等待信号稳定
		
		ucData <<= 1;
		if(I2C_SDA_READ)
		{
			ucData |= 0x01;
		}
		else
		{
			ucData &= 0xfe;		
		}
		I2C_SCL_0();		//允许数据改变
		I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	}
	I2C_SDASetOutput();
	if(_ucAck)
	{
		I2c_GetNack();
	}
	else
	{
		I2c_GetAck();
	}
	
	return ucData;
}

注： 当主机读取数据最后一字节时，发送的 NACK 告诉从机数据读取完成，其余发送的是 ACK 。

3.3 IIC 应答信号处理

等待应答：

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_Wait_Ack
//	功能说明: I2C等待应答
//	形    参: 
//				_usErrTime:超时时间设置(此函数无作用,仅是为了和#if里面公用声明)
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//  备    注：
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
uint8_t I2c_WaitAck(uint16_t _usErrTime)
{
	uint8_t ucAck = 0xFF;
	
	I2C_SDA_1();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SCL_1();		//此时判断是否有应答
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	
	if(I2C_SDA_READ)
	{
		ucAck = I2C_NACK;	
	}
	else
	{
		ucAck = I2C_ACK;	
	}
	
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	
	return ucAck;
}

产生应答：

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_GetAck
//	功能说明: I2C得到应答
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
void I2c_GetAck(void)
{
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SDASetOutput();
	I2C_SDA_0();	//第九个时钟,SDA为低应答
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SCL_1();		//SCL高电平,高电平时读取SDA的数据
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SDA_1();		//释放SDA
}

产生非应答：

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: I2c_GetNack
//	功能说明: I2C得到非应答()
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2019-12-29
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
void I2c_GetNack(void)
{
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SDASetOutput();
	I2C_SDA_1();	//第九个时钟,SDA为高非应答
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SCL_1();		//SCCL高电平,高电平时读取SDA的数据
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
	I2C_SCL_0();
	I2c_Delay(StI2cInfo.uiI2cSpeed);
}

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4. HTU21D 数据测量

测量命令如下表：

本文采用非保持主机：
//非主机模式

#define HTU_TEMP    0xf3
#define HTU_HUMI    0Xf5

在非主机模式下， MCU 需要对传感器状态进行查询。此过程通过发送一个启动传输时序，之后紧接着是如图所示的 I2C 首字节（1000’0001）来完成。如果内部处理工作完成，单片机查询到传感器发出的确认信号后，相关数据就可以通过 MCU 进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器无确认位（ACK）输出，此时必须重新发送启动传输时序。

传感器初始化：

//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: Htu_Init
//	功能说明: 传感器初始化
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//  备    注: 
//	日    期: 2020-03-11
//	作    者: by 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void Htu_Init(void)
{
	  
	I2c_Init();
	I2c_Start();
	I2c_SendOneByte(HTU_ADDR_WR);	//写I2C器件地址
	I2c_WaitAck(200);
	I2c_SendOneByte(HTU_SOFTWARE_RESET);		//软复位
	I2c_WaitAck(200);
	I2c_Stop();
	delay_ms(15);		//软复位时间最多需要15ms
}

传感器数据读取与转换：

传感器内部设置的默认分辨率为相对湿度12位和温度14 位。 SDA 的输出数据被转换成两个字节的数据包，高字节MSB 在前（左对齐）。每个字节后面都跟随一个应答位。两个状态位，即LSB 的后两位在进行物理计算前须置‘0’。

转换计算如下图：

源代码实现：

显示方式：

本实验通过串口打印显示，串口打印有助于程序的调试。

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: htu_write_some_bytes
//	功能说明: htu21d 通过IC写入多字节数据
//	形    参: 	pbdata：写入的数据
//				write_length：写入数据的长度
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2020-03-19
//  备    注: 测试I2C发送多字节数据时序
//	作    者: by 霁风AI
//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
bool htu_write_some_bytes(uint8_t *pbdata, uint16_t write_length)
{
	I2c_Start();

	I2c_SendOneByte(HTU_ADDR_WR);
	if (I2C_NACK == I2c_WaitAck(200))
	{
		return false;
	}
	
	//for循环发送多个字节数据
	for (uint16_t i = 0; i < write_length; i++)
	{
		I2c_SendOneByte(pbdata[i]);
		if (I2C_NACK == I2c_WaitAck(200))
		{
			return false;
		}
	}

	//while循环发送多个字节数据
//	while (write_length--)
//	{
//		I2c_SendOneByte(*pbdata++);
//		if (I2C_NACK == I2c_WaitAck(200))
//		{
//			return false;
//		}
//	}

//	I2c_Stop();

	return true;
	
}

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: htu_read_some_bytes
//	功能说明: htu21d 通过IC读取多字节数据
//	形    参: 	pbdata：写入的数据
//				read_length：写入数据的长度
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2020-03-19
//  备    注: 测试I2C接收多字节数据时序
//	作    者: by 霁风AI
//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
bool htu_read_some_bytes(uint8_t *pbdata, uint16_t read_length)
{
	I2c_Start();

	I2c_SendOneByte(HTU_ADDR_RD);
	if (I2C_NACK == I2c_WaitAck(200))
	{
		return false;
	}

	for (uint16_t i = 0; i < read_length - 1; i++)
	{
		*pbdata++ = I2c_RecvOneByte(I2C_ACK);
	}
	*pbdata++ = I2c_RecvOneByte(I2C_NACK);	//接收最后一个字节发送NACK,告诉从机读操作已经完成

	I2c_Stop();

	return true;
}

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: Htu_Measure
//	功能说明: Htu21d 温湿度读取
//	形    参: 	_ucOrder：温度 or 湿度读取命令
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2020-03-16
//  备    注: 
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
float Htu_Measure(uint8_t _ucOrder)
{
	uint8_t ucaRecvBuf[2] = {0};
	uint8_t ucTmpVal = _ucOrder;
	volatile float fTemp = 0.0;
	volatile float fHumi = 0.0;
	volatile float fRetVal = 0.0;
	 
	htu_write_some_bytes(&ucTmpVal, 1);		//写如操作命令

	delay_ms(50);	//14位测量时间范围(44-58ms)
	
	htu_read_some_bytes(ucaRecvBuf, 2);	//接收两字节数据
			 
	ucaRecvBuf[1] &= 0xFC;		//设置分辨率,最低两位为0,温度:14位;湿度:12位 	
	fRetVal = (ucaRecvBuf[0] << 8) | ucaRecvBuf[1];	// MSB=(MSB<<=8)+LSB;即将MSB移位到高8位

	if(_ucOrder == HTU_TEMP)
	{
		 fTemp = (175.72) * fRetVal / 65536 - 46.85;//温度:T= -46.85 + 175.72 * ST/2^16
		 
		 return fTemp;
	}
	else if(_ucOrder == HTU_HUMI)
	{
		 fHumi = (fRetVal * 125) / 65536 - 6.00;//湿度: RH%= -6 + 125 * SRH/2^16

		 return fHumi;
	}
	else
	{
		return false;
	}
} 

//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: Htu_Display
//	功能说明: 测量数据显示
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 2020-03-16
//  备    注: 
//	作    者: by 霁风AI
//--------------------------------------------------------------------------------------------------------
 void Htu_Display(void)
{
	u16 usTemp = 0;
	volatile float f_RetVal = 0.0;
	u8 ucTest[10] = {0};
	
	f_RetVal = Htu_Measure(HTU_TEMP);//得到温度值
	printf("The htu measure temp is :%4.2fC \r\n", f_RetVal);
	
	sprintf((char*)ucTest,"%4.2f", f_RetVal);		//LCD显示方式1：sprintf函数将结果打印到test数组里,转换成字符串
	printf("test is %sC \r\n", ucTest);
	printf("\r\n");

	
	usTemp = f_RetVal;			//LCD显示方式2:将得到的数值拆分成整数和小数直接显示在液晶
	f_RetVal -= usTemp;
	f_RetVal *= 100;		//保留两位小数

		
	f_RetVal= Htu_Measure(HTU_HUMI);		//得到湿度值
	printf("The htu measure humi is :%4.2fRH \r\n", f_RetVal);
	usTemp = f_RetVal;
	f_RetVal -= usTemp;
	f_RetVal *= 100;
	printf("\r\n");
}

测试结果：

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参考：

1. STM32F10x_模拟I2C读写EEPROM

2. 正点原子库函数