Arduino I2C + 温湿度传感器HTS221

主要特性

HTS221是意法半导体（STMicroelectronics）生产的小体积、数字式温湿度传感器IC。该IC目前在官网仍处在“评估”状态。其主要特性：

• 工作电压：1.7~3.6V
• 数据输出频率(ODR)可设：1Hz ~ 12.5Hz
• 低功耗：2μA@1Hz ODR
• 温度精度：给出误差典型值+/-0.5°C, 15~40°C；但注明“Typical specifications are not guaranteed.”。无误差最大值信息。
• 湿度精度：给出误差典型值+/-4.5%RH, 20~80%RH；同样注明“Typical specifications are not guaranteed.”。无误差最大值信息。
• 内置16-bit ADC
• 接口：I2C或3-wire SPI
• 出厂已校准，但需要用户自行读取校准信息、并计算校准后的结果
• 封装：2 x 2 x 0.9mm HLGA-6L封装，是已知同类传感器中体积最小的
• 片上集成加热器（heater）

管脚定义

和其他的温湿度传感器比，HTS221的芯片管脚功能更多、也略显复杂：

• VDD：电源，支持1.7~3.6V电压
• GND：地
• CS：I2C/3-wire SPI接口选择，当CS=1时为I2C接口，反之为3-wire SPI接口。默认为1。
• SCL/SPC：I2C或3-wire SPI接口的时钟线，由CS选择。
• SDA/SDI/SDO：I2C或3-wire SPI接口的数据线，由CS选择。
• DRDY：提供Data Ready信号输出。当测量完成、有温湿度数据可供读取时，DRDY为高电平；当无温湿度数据、或温湿度数据已被读取完毕后，DRDY为低电平。该功能也可以通过设置控制寄存器（CTRL_REG3）关闭。

与Arduino的连接

虽然HTS221支持I2C、3-wire SPI接口。对于3-wire SPI接口，其数据输入/输出(SDI/SDO)共用一条信号线，不同于Arduino的四线制SPI，有MOSI、MOSI信号线的区分。因此还是通过I2C接口连接。由于Arduino UNO正常工作在5V电压下，因此二者的连接还需要I2C Logic Level Converter。留意Converter带了I2C总线所需的上拉电阻。

功能调试

1. HTS221内置不少寄存器，每个寄存器都有一个8bit的子地址（sub-address）。在操作时，既可以单独对某个地址的寄存器进行I2C读/写，也可以在一次I2C命令中对连续的多个地址的寄存器进行读/写。

2. 手册没有给出每次测量所需的测量时间，实测默认配置下one shot测量用时约3ms。代码中通过读取STATUS_REG寄存器，来判断一次测量是否完毕。也可以通过读取DRDY管脚信号进行判断。

3. HTS221将出厂前的校准信息保存在内部寄存器中，温度校准有两对数据：t0 & t0out, t1 & t1out，湿度校准亦有两对数据：h0 & h0t0out, h1 & h1t0out。从命名上看，湿度校准数据是在t0温度下做的。MCU将HTS221温湿度输出值得到后，还需要利用这两组校正数据进行反推（线性插值），继而获得所代表的温湿度测量结果。代码在初始化部分，读取了四组校准数据并打印了出来。
    为什么不能像其他传感器那样，读出来的值就是计算好的最终结果呢？

4. Arduino库自带的map()只能对整型进行操作，因此将其改成了对浮点数进行操作。

5. 从测量结果上看，湿度动辄75%以上，明显偏高不少。

6. 尝试用中断函数捕获DRDY上升沿，进而在中断函数中进行数据读取。可是不知为何，中断函数会卡在对I2C的操作上。

测试代码

 /*
 Measurement of relative humidity and temperature using HTS221
 */

 #include <Wire.h>

 #define ADDRESS_HTS221 0x5F
 #define CTRL_REG1 0x20
 #define CTRL_REG2 0x21
 #define STATUS_REG 0x27
 #define HUMIDITY_OUT_L_REG 0x28
 #define T0_degC_x8 0x32
 #define T0_OUT 0x3C
 #define H0_rH_x2 0x30
 #define H0_T0_OUT 0x36
 #define H1_T0_OUT 0x3A

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

 float t0, t1, h0, h1;
 int t0out, t1out, h0out, h1out;

 int outHumi = ;
 int outTemp = ;
 float valueHumi = ;
 float valueTemp = ;

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

     //turn on the HTS221, set the update mode to one shot
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(CTRL_REG1);
     Wire.write(0x84);
     Wire.endTransmission();

     ReadCaliData();

     //print the calibration coefficients
     Serial.println("Calibration coefficients: ");
     Serial.print("t0 = "); Serial.print(t0); Serial.print(" `C, t0out = "); Serial.println(t0out);
     Serial.print("t1 = "); Serial.print(t1); Serial.print(" `C, t1out = "); Serial.println(t1out);
     Serial.print("h0 = "); Serial.print(h0); Serial.print(" \%RH, h0out = "); Serial.println(h0out);
     Serial.print("h1 = "); Serial.print(h1); Serial.print(" \%RH, h1out = "); Serial.println(h1out);
     Serial.println("------------------------");
 }

 void loop()
 {
     //perform a measurement
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(CTRL_REG2);
     Wire.write(0x01);
     Wire.endTransmission();

     //check the status
     status = ;
     while (status != 0x03) //typical conversition time: 3ms
     {
         delayMicroseconds();
         Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
         Wire.write(STATUS_REG);
         Wire.endTransmission();

         Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
         if(Wire.available() >= )
         {
             status = Wire.read();
         }
         delayMicroseconds();
         // Serial.println(status, HEX);
     }

     //read multiple bytes incrementing the register address
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(HUMIDITY_OUT_L_REG | 0x80);
     Wire.endTransmission();

     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }

     outHumi = (buffer[] << ) | buffer[];
     outTemp = (buffer[] << ) | buffer[];

     valueTemp = mapFloat(outTemp, t0out, t1out, t0, t1);
     valueHumi = mapFloat(outHumi, h0out, h1out, h0, h1);
     Serial.print(valueTemp); Serial.print(" `C, ");
     Serial.print(valueHumi); Serial.println(" \%RH");

     delay();
 }

 void ReadCaliData()
 {
     //read out t0degCx8, t1degCx8
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(T0_degC_x8 | 0x80);
     Wire.endTransmission();
     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }
     word t0degCx8 = ((buffer[] & 0b00000011) << ) | buffer[];
     word t1degCx8 = ((buffer[] & 0b00001100) << ) | buffer[];
     t0 = t0degCx8/8.0;
     t1 = t1degCx8/8.0;

     //read out t0out, t1out
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(T0_OUT | 0x80);
     Wire.endTransmission();
     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }
     t0out = (buffer[] << ) | buffer[];
     t1out = (buffer[] << ) | buffer[];

     //read out h0RHx2, h1RHx2
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(H0_rH_x2 | 0x80);
     Wire.endTransmission();

     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }
     byte h0RHx2 = buffer[];
     byte h1RHx2 = buffer[];
     h0 = h0RHx2/2.0;
     h1 = h1RHx2/2.0;

     //read out h0t0Out
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(H0_T0_OUT | 0x80);
     Wire.endTransmission();
     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }
     h0out = (buffer[] << ) | buffer[];

     //read out h1t0Out
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_HTS221);
     Wire.write(H1_T0_OUT | 0x80);
     Wire.endTransmission();
     Wire.requestFrom(ADDRESS_HTS221, );
     if (Wire.available() >= )
     {
         for (byte i = ; i < ; i++)
         {
             buffer[i] = Wire.read();
         }
     }
     h1out = (buffer[] << ) | buffer[];
 }

 float mapFloat(int x, int in_min, int in_max, float out_min, float out_max)
 {
   return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
 }

首先打印HTS221保存的校准信息，之后会每隔4秒触发一次测量并打印结果：

结论

与Si7021比，HTS221（under evaluation）的体积更小、接口更丰富，使用更灵活，但在硬件接口和软件操作上都略显复杂。精度上，datasheet也并未给出已验证的典型误差和最大误差，实测湿度误差较大。

参考资料

HTS221 Capacitive digital sensor for relative humidity and temperature