Arduino I2C + 温湿度传感器Si7021

 

Si7021是Silicon Labs生产的温湿度传感器芯片。其主要特性：

• 湿度精度：误差典型值+/-2%RH，最大值+/-3%RH（0~80%RH），出厂已校正
• 温度精度：误差典型值+/-0.3°C，最大值+/-0.4°C（-10°C~85°C），出厂已校正
• 测量范围：温度范围0~100%RH；温度范围最大-40°C~125°C
• 工作电压：1.9~3.6V
• 低功耗：工作时150μA，待机时60nA
• 接口：I2C，最大速率支持400kbps
• 长期稳定性：湿度≤0.25%RH/yr，温度≤0.01°C/yr
• 封装：3x3 mm DFN
• 片上集成加热器（heater）
• 可选的疏水性保护盖

与Arduino的连接

由于Arduino UNO的工作电压是5V，而Si7021无法在5V电平下工作，二者的连接需要电平转换。转换的方法是在Si7021和Arduino中间通过I2C Logic Level Converter进行连接。双向逻辑电平转换器的原理可参考Philips Semiconductor的应用笔记“Bi-directional level shifter for i2c bus and other systems”。转换器两端都自带了I2C总线需要的上拉电阻。

功能调试

1. Si7021测量过程中，可以选择让其将SCL拉低（Hold Master Mode），或者不回应MCU发来的讯息（No Hold Master Mode）。

2. 相对湿度测量包含了温度测量；温度测量可以单独进行。

3. 进行相对湿度或温度测量时，MCU对测量值低字节是否发送ACK，决定了Si7021是否返回CRC校验码。当读取上次相对湿度测量时的温度值时，Si7021不回复CRC校验码。以下代码中有一半内容是CRC校验相关的，并不是必须的，CRC算法也未进行优化。

4. 当Si7021用于环境测量时，芯片放置、PCB热阻隔设计对测量精度、响应时间有很大影响，具体可参见官方“Si70xx Humidity Sensor Designer's Guide”文档。

测试代码

 /*
 Measurement of relative humidity and temperature using Si7021
 */

 #include <Wire.h>

 #define ADDRESS_SI7021 0x40
 #define MEASURE_RH_HOLD 0xE5
 #define READ_T_FROM_PRE_RH_MEASUREMENT 0xE0

 byte buffer[] = {, , };
 byte crcHumi;

 word outHumi = ;
 word outTemp = ;
 float valueHumi = ;
 float valueTemp = ;

 void setup()
 {
     Wire.begin();
     Serial.begin();
 }

 void loop()
 {
     //perform a RH measurement and read back the RH value
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_SI7021);
     Wire.write(MEASURE_RH_HOLD);
     Wire.endTransmission();

     Wire.requestFrom(ADDRESS_SI7021, );
     if(Wire.available() >= )
     {
         buffer[] = Wire.read(); //high byte
         buffer[] = Wire.read(); //low byte
         buffer[] = Wire.read(); //crc
     }
     outHumi = (buffer[]<<) | buffer[];
     crcHumi = CRC8(buffer, );

     //read temperature from previous RH measurement
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_SI7021);
     Wire.write(READ_T_FROM_PRE_RH_MEASUREMENT);
     Wire.endTransmission();

     Wire.requestFrom(ADDRESS_SI7021, );
     if(Wire.available() >= )
     {
         buffer[] = Wire.read(); //high byte
         buffer[] = Wire.read(); //low byte; no crc
     }
     outTemp = (buffer[]<<) | buffer[];

     valueHumi = 125.0*outHumi/ - ;
     valueTemp = 175.72*outTemp/ - 46.85;

     Serial.print(valueHumi);    Serial.print(" \%RH\t");
     Serial.print(valueTemp);    Serial.println(" `C");

     if (crcHumi ==  && outHumi !=  && outTemp != )
     {
         Serial.println("CRC checked.");
     }
     else
     {
         Serial.println("Error!");
     }

     delay();
 }

 byte CRC8(byte *data, byte len)
 {
     byte crc[];
     byte result = ;
     byte i;
     byte doInvert;
     String bitString = MakeString(data, len);

     for (i = ; i < ; i++)
     {
         crc[i] = ;
     }

     for (i = ; i < bitString.length(); i ++)
     {
         doInvert = (byte(bitString[i] == '')) ^ crc[];
         crc[] = crc[];
         crc[] = crc[];
         crc[] = crc[] ^ doInvert;
         crc[] = crc[] ^ doInvert;
         crc[] = crc[];
         crc[] = crc[];
         crc[] = crc[];
         crc[] = doInvert;
     }

     for (i = ; i < ; i++)
     {
         bitWrite(result, i, crc[i]);
     }

     return result;
 }

 String MakeString(byte *data, byte len)
 {
     int i, j;
     String tempString[len];
     String bitString="";

     for (i = ; i < len; i++)
     {
         tempString[i] = String(data[i], BIN);
         int zeros =  - tempString[i].length();
         for (j = ; j < zeros; j++)
         {
             tempString[i] = '' + tempString[i];
         }
     }

     for (i = ; i < len; i++)
     {
         bitString = bitString + tempString[i];
     }

     return bitString;
 }

若连接正常，Si7021将会每隔4秒触发一次测量，并通过串口打印结果：

参考资料

Silicon Labs - Si7021 Datasheet
Application Note: Bi-directional level shifter for i2c bus and other systemsApplication Note: Si70xx Humidity Sensor Designer's Guide
Online CRC Calculation