Płytka interfejsu dla czujnika wilgotności SHT31

Piątek, 01 Styczeń 2021

SHT31 jest zintegrowanym czujnikiem przeznaczonym do pomiaru wilgotności względnej i temperatury. Wyróżnia się doskonałymi parametrami i miniaturową obudową. Zaprojektowana płytka interfejsu pozwala wygodnie podłączyć czujnik np. do płytek Arduino lub Nucleo. Proste procedury odczytu danych ułatwią zastosowanie czujnika we własnych konstrukcjach.

Podstawowe parametry:

zakres pomiaru wilgotności: 0…100% RH;
dokładność pomiaru wilgotności: ±2% RH;
zakres pomiaru temperatury: –40…+120°C;
dokładność pomiaru temperatury: ±0,2°C w zakresie 0…90°C;
czas wykonywania pomiaru: od 2,5 ms do 15,5 ms;
pobór prądu podczas pomiaru: 1500 µA;
pobór prądu pomiędzy pomiarami: 6 µA;
napięcie zasilania: 2,15…5,5 V;
interfejs komunikacyjny: I2C;
wymiary obudowy: 2,5×2,5×0,9 mm.

Czujnik SHT31 mierzy wilgotność względną, ale co oznacza ta wielkość? W skrócie jest to procentowy stosunek ilości wody (pary) w powietrzu do jej maksymalnej ilości (stanu nasycenia równego 100%) jaki może wystąpić w danych warunkach. Wilgotność względna zależy od temperatury.

Wraz z jej spadkiem dla takiej samej ilości pary, wilgotność względna będzie się zwiększać a po osiągnięciu 100% para zacznie się skraplać.

Informacja o poziomie wilgotności powietrza jest ważna ze względów zdrowotnych. Okazuje się, że najkorzystniej jest przebywać w środowisku, którego wilgotność względna (%RH) mieści się w przedziale 40 %RH…60%RH. Poziom wilgotności jest także ważny przy długotrwałym przechowywaniu żywności, materiałów, dla niektórych procesów chemicznych.

Budowa SHT31

Na rysunku 1 została pokazana budowa wewnętrzna czujnika SHT31 oraz dostępne wyprowadzenia. Oprócz podłączeń zasilania VDD, VSS, linii zerowania nRESET i wyprowadzeń magistrali I2C SDA, SCL dostępne są jeszcze 2 dodatkowe linie.

ADDR – wejście wyboru jednego z dwu adresów I2C, na który będzie reagował czujnik. Pozwala to na obsługę większej ilości czujników SHT31 dołączonych do tej samej magistrali;
ALERT – wyprowadzenie służy do sygnalizacji przekroczenia zaprogramowanych progów wilgotności i temperatury. Poziomem aktywnym jest stan wysoki.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna SHT31

Płytka interfejsu

Niewielkie rozmiary obudowy przystosowanej do montażu powierzchniowego, utrudniają bezpośrednie wykorzystanie SHT31. Specjalnie zaprojektowana płytka interfejsu pozwala względnie łatwo przylutować czujnik, a złącza o rozstawie styków 2,54 mm zapewniają wygodny dostęp do jego wyprowadzeń. Schemat ideowy interfejsu pokazano na rysunku 2 natomiast schemat płytki PCB pokazuje rysunek 3.

Rysunek 2. Schemat ideowy

Na płytce, oprócz czujnika U1, jest miejsce na dodatkowe oporniki: R1, R2 podciągają do napięcia zasilania magistralę I2C, R3 ustawia poziom niski na linii wyboru adresu ADDR a R4 zabezpiecza linię nRESET przed przypadkowym zerowaniem. Wszystkie wyprowadzenia sygnałowe i zasilające można podłączyć poprzez złącze SV1 bezpośrednio do systemu mikroprocesorowego. Ze względu na specyfikę magistrali I2C takie podłączenie nie może być dłuższe niż kilkanaście centymetrów. Jeżeli czujnik wilgotności ma pracować w pewnym oddaleniu od procesora sterującego należy zastosować układ pozwalający wydłużyć magistralę.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Na płytce interfejsu przewidziano miejsce dla mostka I2C oznaczonego na schemacie symbolem U2. Zastosowanie jako mostka układu PCA9507, podniesienie napięcia zasilania do +5 V i zastosowanie po drugiej stronie magistrali od strony mikroprocesora podobnego mostka, pozwoli zwiększyć jej długość nawet do 18 metrów. Wybierając taki sposób komunikacji z płytką interfejsu, należy skorzystać ze złącza SV2. W tym wariancie połączenia dostęp do pozostałych sygnałów sterujących czujnikiem nie jest możliwy. Jeżeli opcja z mostkiem I2C nie będzie wykorzystywana można nie montować na płytce interfejsu elementów U2, C2, R5, R6, SV2. Na fotografii 1 pokazano płytki zmontowane w obydwu wariantach.

Fotografia 1. Zmontowane płytki w obydwu wariantach

Cztery otwory w pobliżu miejsca wlutowania czujnika przeznaczone są do założenia osłony Filter Cap SF2. Osłona z cienką półprzepuszczalną membraną, zapewnia dodatkową ochronę czujnika przed działaniem wody i substancji chemicznych, niekorzystnie wpływających na jego działanie.

Do przylutowania czujnika potrzebna jest lutownica o cienkim grocie, topnik w płynie i odrobina cyny. Czujniki w wykonaniu SHT31-DIS-P zabezpieczone są pomarańczową folią. Należy ją usunąć dopiero po zakończeniu montażu i oczyszczeniu płytki.

Komunikacja z czujnikiem

Komunikacja i sterowanie czujnikiem odbywają się za pośrednictwem magistrali I2C. SHT31 reaguje na dwa adresy wybierane poziomem na wyprowadzeniu ADDR. Poziom niski (ustawiony w module przez opornik R3) wybiera adres 0x44, poziom wysoki wybiera adres 0x45. Adresy podane są w konwencji 7 bitowej.

Ogólny schemat transmisji rozkazu sterującego (np. inicjacji pomiaru) jest następujący: po sekwencji Start wysyłany jest adres czujnika z dodanym wyzerowanym 8 bitem a potem wysyłane są 2 bajty komendy ze starszym bajtem jako pierwszym. Transmisję kończy sekwencja Stop.

Rysunek 4. Transmisja rozkazu magistralą I2C

Na rysunku 4 pokazany jest przebieg transmisji rozkazu.

Ogólny schemat odczytu z czujnika jest następujący: po sekwencji Start wysyłany jest adres czujnika z dodanym ustawionym 8 bitem a potem czujnik przesyła 2 bajty danych temperatury (starszy bajt jako pierwszy), 1 bajt sumy kontrolnej bajtów temperatury, 2 bajty danych wilgotności (starszy bajt jako pierwszy), 1 bajt sumy kontrolnej bajtów wilgotności. Transmisję kończy sekwencja Stop. Na rysunku 5 pokazany jest przebieg odczytu.

Rysunek 5. Odczyt danych magistralą I2C

Czujnik SHT31 może pracować w różnych trybach co wpływa na sposób odczytu pomiarów. W trybie single shot realizowany jest pomiar jednorazowy w przeciwieństwie do periodic mode kiedy po zakończeniu poprzedniego pomiaru czujnik automatycznie rozpocznie kolejny. W obu trybach można ustawić jedną z trzech szybkości konwersji high, medium, low, przy czym wolniejsze konwersje zapewniają dokładniejsze, bardziej powtarzalne wyniki pomiaru. W trybie automatycznego powtarzania pomiarów można ustawić ilość pomiarów na sekundę: 0,5, 1, 2, 4, 10.

Odczyt wyniku pomiaru zawsze inicjowany jest przez użytkownika. W trybie pojedynczego pomiaru czujnik będzie sygnalizował brak gotowości danych przez wystawienie sygnału NACK (braku potwierdzenia) po odbiorze sekwencji Start i adresu. W trybie clock stretching czujnik zawsze wysyła potwierdzenie ACK ale gdy dane są niegotowe blokuje sygnały zegarowe na linii CLK magistrali I2C.

Przykładowo w tabeli 1 zebrano rozkazy pojedynczego odczytu z wyborem parametrów powtarzalności i clock stretching. Poza tym czujnik reaguje na kilka dodatkowych rozkazów wpływających na sposób jego funkcjonowania np.:

kod 0x3093 – przerwanie trybu periodic mode,
kod 0x30A2 – programowe zerowanie czujnika w tym ponowne wczytanie danych kalibracyjnych,
kod 0xF32D – odczyt rejestru statusu,
kod 0x3041 – zerowanie rejestru statusu w tym flag alarmów i sygnalizacji resetu czujnika,
kod 0x306D – włączanie i 0x3066 – wyłączanie podgrzewania czujnika dla usunięcia zanieczyszczeń chemicznych z powierzchni sensorów.

Procedury prostego miernika wilgotności

Łącząc płytkę interfejsu z czujnikiem SHT31 oraz płytkę procesora (na zdjęciu tytułowym NUCLEO-F411) można szybko zbudować prosty miernik wilgotności połączony z cyfrowym termometrem. Linie SDA i SCL magistrali I2C płytki czujnika należy połączyć z wyprowadzeniami na płytce NUCLEO: D15 -linia SCL i D14 -linia SDA interfejsu I2C1. Do tych samych wyprowadzeń podłączamy linie I2C wyświetlacza graficznego OLED 128×64 ze sterownikiem SSD1306 na którym będą wyświetlane odczyty pomiarów. Napięcie zasilania +3,3 V dla płytki czujnika i wyświetlacza pobieramy z płytki NUCLEO.

Listing 1.

#define SHT3I2CADDRL_7B 0x44 //I2C adres 7 bitów ADDR (pin 2) connected to logic low

//odczyt rejestrów temperatury i wilgotności
uint8_t OdczytTemperaturyIWilgotnosci_Single(uint8_t *p_bufor, double *temperatura, double *wilgotnosc){
#define REPEAT_MED_CLOCKSTRETCH_DIS 0x240B
uint8_t sukces;
unsigned char slave_adr, ile_bajtow_danych;
char bufor[6];

slave_adr =SHT3I2CADDRL_7B<<1;
ile_bajtow_danych =2;
bufor[0] =REPEAT_MED_CLOCKSTRETCH_DIS>>8;
bufor[1] =0xff & REPEAT_MED_CLOCKSTRETCH_DIS;

sukces =I2C_ZapisBloku(slave_adr, MEM_ADRES_I2C_0BAJT, 0, ile_bajtow_danych, bufor);
if (sukces ==FALSE) return FALSE;

ile_bajtow_danych =6;
HAL_Delay(20); //czas konwersji

sukces =I2C_OdczytBloku(slave_adr, MEM_ADRES_I2C_0BAJT,
0, ile_bajtow_danych, bufor);
if (sukces ==FALSE) return FALSE;

char crc8 =CRC8((char *)bufor,2);
char crc8_odczyt =*(bufor+2);
if (crc8 !=crc8_odczyt) return FALSE;

crc8 =CRC8((char *)(bufor+3),2);
crc8_odczyt =*(bufor+5);
if (crc8 !=crc8_odczyt) return FALSE;
*wilgotnosc =KonwersjaSurowychDanychnaWilgotnosc((uint8_t *)(bufor+3));

*p_bufor =bufor[0];
*(p_bufor+1) =bufor[1];
*(p_bufor+2) =bufor[3];
*(p_bufor+3) =bufor[4];

*temperatura =KonwersjaSurowychDanychnaTemperature((uint8_t *)bufor);

return TRUE;
}

W pętli głównej co sekundę inicjowany jest pojedynczy pomiar temperatury i wilgotności. Wywoływana jest procedura OdczytTemperaturyIWilgotnosci_Single pokazana na listingu 1. Najpierw adres czujnika, który będzie wywoływany jest zmieniany z postaci 7-bitowej na 8-bitową ponieważ zastosowana procedura zapisu i odczytu I2C, wymaga takiego formatu tego parametru. Wysyłany jest rozkaz inicjujący pojedynczą konwersję. Kod rozkazu 0x240B jest opisany w tabeli 1. Procedura nie korzysta z metod odpytywania czujnika o dostępność wyniku. Po prostu odczekuje maksymalny okres potrzebny na przeprowadzenie konwersji czyli 20 ms. Po tym czasie odczytuje z SHT31 6 bajtów danych: 2 bajty danych temperatury z bajtem sumy kontrolnej i 2 bajty danych wilgotności z bajtem sumy kontrolnej. Następuje sprawdzenie czy obliczone sumy kontrolne danych temperatury i wilgotności są identyczne z przesłanymi, procedura obliczania CRC jest zamieszczona na listingu 2.

Listing 2.

char CRC8(const char *data,int length){
uint8_t crc = 0xff;
size_t i, j;
for (i = 0; i < length; i++) {
crc ^= data[i];
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((crc & 0x80) != 0)
crc = (uint8_t)((crc << 1) ^ 0x31);
else
crc <<= 1;
}
}
return crc;
}

Teraz należy przekształcić odczytane surowe dane temperatury i wilgotności na stopnie °C i procenty %RH. Dla danych temperatury korzysta się z formuły:

T[°C]=–45+(175*(Sdane temperatury/(216–1)))

podprogram który realizuje to przekształcenie jest pokazany na listingu 3.

Listing 3.

//konwersja wartości odczytanych rejestrów na temperaturę
double KonwersjaSurowychDanychnaTemperature(uint8_t *p_buf){
uint16_t reg_raw =*p_buf <<8;
reg_raw =reg_raw + *(p_buf+1);
double temperatura =reg_raw;
temperatura =temperatura / (65536-1);
temperatura =temperatura * 175;
temperatura =temperatura + (-45);
return temperatura;
}

Dla danych wilgotności korzysta się z formuły:

RH=100*(Sdane wilgotnosci/(216–1))

podprogram który realizuje to przekształcenie jest pokazany na listingu 4.

Listing 4.

//konwersja wartości odczytanych rejestrów na wilgotność
double KonwersjaSurowychDanychnaWilgotnosc(uint8_t *p_buf){
uint16_t reg_raw =*p_buf <<8;
reg_raw =reg_raw + *(p_buf+1);
double wilgotnosc =reg_raw;
wilgotnosc =wilgotnosc / (65536-1);
wilgotnosc =wilgotnosc * 100;
return wilgotnosc;
}

W przypadku sukcesu główna procedura zwraca wartość TRUE i w pętli głównej otrzymane po przekształceniach wartości temperatury i wilgotności zostają wyświetlane na wyświetlaczu.

Dodatkowe informacje na temat czujnika SHT31 można znaleźć na stronie producenta: http://bit.ly/35rNjEf.

Ryszard Szymaniak
biuro@ars.info.pl

Wykaz elementów:

Rezystory: