Senzor Temperatura si Umiditate SHT21 GY-21, de precizie, interfata I2C, 3-5V, 0-100%RH

Acest tutorial foloseste placa Arduino Uno, pentru ca modulul GY-21 este un senzor I2C care are nevoie obligatoriu de un microcontroler care sa il interogheze. Modulul poarta senzorul SHT21 si masoara temperatura si umiditatea relativa a aerului, cu iesire digitala deja calibrata. Il veti folosi in statii meteo de interior, in monitorizarea unei sere, a unui depozit sau a unei incaperi cu umidificator, in termostate si higrostate construite singuri.

Spre deosebire de un senzor analogic, SHT21 nu cere calibrare si nu are nevoie de convertor analog-digital extern. Microcontrolerul trimite o comanda pe doua fire si primeste inapoi valoarea masurata, insotita de o suma de control. In pasii de mai jos veti conecta modulul, veti citi valorile cu o biblioteca minima (doar Wire) si veti vedea cum se transforma numerele brute in grade Celsius si procente de umiditate.

Cum functioneaza:

In interiorul SHT21 se afla un element capacitiv cu polimer pentru umiditate si un senzor de temperatura de tip bandgap. Un convertor analog-digital integrat transforma ambele marimi in numere, iar circuitul de procesare aplica calibrarea din fabrica. Rezultatul iese pe magistrala I2C, la adresa fixa 0x40, cu frecventa de ceas de cel mult 400 kHz.

O masuratoare are patru etape. Microcontrolerul trimite adresa 0x40 si o comanda: 0xF3 porneste masurarea temperaturii si 0xF5 porneste masurarea umiditatii, ambele in modul fara blocare a ceasului (no hold master). Apoi asteapta cat dureaza conversia, cel mult 85 ms pentru temperatura la 14 biti si cel mult 29 ms pentru umiditate la 12 biti. Dupa aceea citeste trei octeti: doi octeti de date si un octet CRC. In final, calculeaza valoarea reala din numarul brut.

Ultimii doi biti ai celui de-al doilea octet sunt biti de stare si trebuie anulati inainte de calcul. Cu numarul brut S, formulele sunt: temperatura in °C = -46.85 + 175.72 x S / 65536 si umiditatea relativa in %RH = -6 + 125 x S / 65536. Numarul 65536 este 2 la puterea 16, adica numarul de valori pe care le poate avea un cuvant de 16 biti. Exemplu: pentru S = 26000 la temperatura rezulta -46.85 + 175.72 x 26000 / 65536 = 22.86 °C, iar pentru S = 31000 la umiditate rezulta -6 + 125 x 31000 / 65536 = 53.13 %RH.

Suma de control CRC-8 foloseste polinomul x la 8 + x la 5 + x la 4 + 1 (in cod, constanta 0x31) si porneste de la valoarea 0. Daca CRC-ul calculat difera de cel primit, citirea a fost afectata de zgomot si trebuie ignorata.

Conectare:

Chipul SHT21 functioneaza la 2.1 - 3.6 V, dar modulul GY-21 are pe placa un stabilizator de 3.3 V (marcat 662K) si adaptoare de nivel cu tranzistoare pe liniile I2C. De aceea il alimentati direct de la pinul 5V al placii Arduino Uno, iar liniile SDA si SCL se conecteaza direct, fara convertor extern de nivel logic. Modulul are si rezistente de pull-up proprii, deci pentru un singur modul nu aveti nevoie de rezistente externe. Lipiti mai intai conectorul cu 4 pini inclus pe placa modulului. Pinii de pe modul sunt, in ordine, VIN, GND, SCL si SDA.

Pe Arduino Uno, pinii A4 si A5 sunt aceleasi linii cu pinii SDA si SCL din dreapta antetului de sus, deci puteti folosi oricare dintre ele. Placa se alimenteaza prin cablul USB de la calculator. Pe unele variante ale modulului pinul de alimentare este marcat VCC in loc de VIN, rolul este acelasi. Verificati inscriptionarea de pe placa inainte de lipire si de conectare.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati la Tools > Board placa Arduino Uno, din pachetul Arduino AVR Boards, care vine instalat odata cu Arduino IDE. Daca nu apare in lista, il instalati din Tools > Board > Boards Manager, cautand Arduino AVR Boards. La Tools > Port alegeti portul serial al placii.

Programul foloseste doar biblioteca Wire, care vine cu Arduino IDE, deci nu trebuie instalata nicio biblioteca. Comunicarea cu senzorul este scrisa direct, ceea ce permite sa vedeti fiecare pas al protocolului.

Codul:

Programul de mai jos citeste temperatura si umiditatea o data la 2 secunde, verifica suma de control si afiseaza rezultatul pe monitorul serial.

/*
  SHT21 / GY-21 temperature and humidity example
  Board (Arduino IDE, Tools > Board): Arduino Uno
  Board package: Arduino AVR Boards (comes with the Arduino IDE)
  Libraries: none to install, only the built-in Wire library is used.
  Wiring (the GY-21 module has its own 3.3 V regulator, level shifters
  and pull-up resistors on the I2C lines):
    Module VIN -> Arduino 5V
    Module GND -> Arduino GND
    Module SDA -> Arduino A4
    Module SCL -> Arduino A5
*/
#include <Wire.h>
// I2C address of the sensor
const uint8_t SHT21_ADDRESS = 0x40;
// Sensor commands
const uint8_t CMD_TRIGGER_TEMP_NO_HOLD = 0xF3; // start temperature measurement
const uint8_t CMD_TRIGGER_HUM_NO_HOLD  = 0xF5; // start humidity measurement
const uint8_t CMD_SOFT_RESET           = 0xFE; // reset the sensor
// Waiting times in milliseconds, slightly above the maximum conversion time
const uint16_t TEMP_WAIT_MS = 100; // 14 bit temperature
const uint16_t HUM_WAIT_MS  = 40;  // 12 bit humidity
// CRC-8 with polynomial 0x31, start value 0
uint8_t crc8(const uint8_t *data, uint8_t length) {
  uint8_t crc = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {
    crc ^= data[i];
    for (uint8_t bit = 0; bit < 8; bit++) {
      if (crc & 0x80) {
        crc = (crc << 1) ^ 0x31;
      } else {
        crc = crc << 1;
      }
    }
  }
  return crc;
}
// Send a measurement command, wait, read 3 bytes and check the CRC
bool readRaw(uint8_t command, uint16_t waitMs, uint16_t &raw) {
  Wire.beginTransmission(SHT21_ADDRESS);
  Wire.write(command);
  if (Wire.endTransmission() != 0) {
    return false; // sensor did not acknowledge
  }
  delay(waitMs); // wait for the conversion to finish
  if (Wire.requestFrom(SHT21_ADDRESS, (uint8_t)3) != 3) {
    return false; // fewer than 3 bytes received
  }
  uint8_t data[3];
  for (uint8_t i = 0; i < 3; i++) {
    data[i] = Wire.read();
  }
  if (crc8(data, 2) != data[2]) {
    return false; // checksum error
  }
  raw = ((uint16_t)data[0] << 8) | data[1];
  raw &= 0xFFFC; // clear the two status bits
  return true;
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  Serial.println("SHT21 / GY-21 test started");
  // Check that the sensor answers at its address
  Wire.beginTransmission(SHT21_ADDRESS);
  if (Wire.endTransmission() != 0) {
    Serial.println("Sensor not found at address 0x40, check wiring");
    while (true) {
      delay(1000); // stop here
    }
  }
  Serial.println("Sensor found at address 0x40");
  // Soft reset, the sensor needs up to 15 ms to restart
  Wire.beginTransmission(SHT21_ADDRESS);
  Wire.write(CMD_SOFT_RESET);
  Wire.endTransmission();
  delay(20);
}
void loop() {
  uint16_t rawTemperature = 0;
  uint16_t rawHumidity = 0;
  if (readRaw(CMD_TRIGGER_TEMP_NO_HOLD, TEMP_WAIT_MS, rawTemperature) &&
      readRaw(CMD_TRIGGER_HUM_NO_HOLD, HUM_WAIT_MS, rawHumidity)) {
    // Convert raw values to physical values
    float temperatureC = -46.85 + 175.72 * (float)rawTemperature / 65536.0;
    float humidityRH = -6.0 + 125.0 * (float)rawHumidity / 65536.0;
    // Limit humidity to the physical range
    if (humidityRH < 0.0) humidityRH = 0.0;
    if (humidityRH > 100.0) humidityRH = 100.0;
    Serial.print("Temperature: ");
    Serial.print(temperatureC, 2);
    Serial.print(" C, Humidity: ");
    Serial.print(humidityRH, 1);
    Serial.println(" %RH");
  } else {
    Serial.println("Read error (no answer or CRC mismatch)");
  }
  delay(2000); // one reading every 2 seconds
}

Cum functioneaza codul:

La inceput sunt definite adresa senzorului (SHT21_ADDRESS, 0x40), comenzile de masurare (CMD_TRIGGER_TEMP_NO_HOLD si CMD_TRIGGER_HUM_NO_HOLD) si comanda de resetare (CMD_SOFT_RESET). Constantele TEMP_WAIT_MS si HUM_WAIT_MS stabilesc cat asteapta programul dupa comanda, putin peste timpii maximi de conversie ai senzorului.

Functia crc8 calculeaza suma de control cu polinomul 0x31, pornind de la valoarea 0, peste cei doi octeti de date primiti. Functia readRaw trimite comanda, asteapta conversia, cere trei octeti cu Wire.requestFrom, compara CRC-ul calculat cu cel primit si, daca totul este corect, formeaza numarul brut din cei doi octeti de date si anuleaza cu masca 0xFFFC cei doi biti de stare. Functia intoarce false daca senzorul nu raspunde, daca se primesc mai putin de 3 octeti sau daca suma de control nu se potriveste.

In setup se porneste portul serial la 9600 baud si magistrala I2C cu Wire.begin. Programul verifica apoi daca senzorul raspunde la adresa 0x40 si, daca nu raspunde, se opreste cu un mesaj despre verificarea conexiunilor. In caz de succes, trimite comanda de resetare software si asteapta 20 ms, cat are nevoie senzorul sa reporneasca.

In loop se cer pe rand temperatura (rawTemperature) si umiditatea (rawHumidity). Valorile brute sunt convertite in temperatureC si humidityRH cu formulele din sectiunea despre functionare, iar umiditatea este limitata la intervalul 0 - 100 %RH. Rezultatul se afiseaza pe monitorul serial, iar la o citire gresita apare un mesaj de eroare. Pauza de 2 secunde dintre masuratori se face cu delay(2000).

Rezultat:

Deschideti monitorul serial din Arduino IDE (Tools > Serial Monitor) si setati viteza la 9600 baud. La fiecare 2 secunde apare o linie cu temperatura si umiditatea masurate, ca in exemplul de mai jos.

SHT21 / GY-21 test started
Sensor found at address 0x40
Temperature: 23.41 C, Humidity: 48.7 %RH
Temperature: 23.43 C, Humidity: 48.6 %RH
Temperature: 23.44 C, Humidity: 48.8 %RH
Temperature: 23.46 C, Humidity: 51.9 %RH
Temperature: 23.52 C, Humidity: 56.3 %RH
Temperature: 23.49 C, Humidity: 53.1 %RH
Temperature: 23.45 C, Humidity: 49.5 %RH

Probleme frecvente:

Apare mesajul ca senzorul nu a fost gasit la adresa 0x40. Cauza cea mai frecventa este o conexiune gresita sau lipsa masei comune. Verificati ca SDA merge la A4 si SCL la A5, ca nu sunt inversate, ca GND este legat si ca pinii conectorului sunt lipiti corect pe placa modulului.

Apare mesajul de eroare de citire (fara raspuns sau CRC gresit). Cauza este de obicei zgomotul de pe fire lungi sau contacte slabe. Scurtati firele SDA si SCL, indepartati-le de cabluri de putere sau de motoare si verificati lipiturile.

Temperatura afisata este mai mare decat cea reala. Senzorul preia caldura de la placile din apropiere, de exemplu de la stabilizatorul placii Arduino. Montati modulul la distanta, de preferat pe fire mai lungi, si lasati-l cateva minute sa se stabilizeze.

Umiditatea ramane la 100 %RH sau creste brusc. Senzorul a fost expus la condens sau la apa. Lasati-l sa se usuce intr-un loc ventilat, iar la montaj protejati-l de stropi si de contact direct cu lichide.

Nu apare nimic pe monitorul serial. Verificati ca ati ales portul corect la Tools > Port, ca placa selectata este Arduino Uno si ca viteza monitorului serial este 9600 baud.

Limitari si sfaturi:

Precizia tipica este de ±2 %RH pentru umiditate si de ±0.3 °C pentru temperatura, in domeniile 0 - 100 %RH si -40 - 125 °C. Senzorul nu este destinat masurarii in lichide sau in prezenta condensului si nu reactioneaza instantaneu, deoarece umiditatea se stabilizeaza in cateva secunde. Adresa 0x40 este fixa, deci pe aceeasi magistrala I2C poate exista un singur astfel de modul.

O citire la 2 secunde este suficienta pentru majoritatea aplicatiilor ambientale. Mai departe puteti afisa valorile pe un afisaj OLED sau LCD, le puteti inregistra pe un card SD sau puteti comanda un releu pentru un umidificator sau pentru o ventilatie in functie de pragurile dorite, cu o histereza de cativa procente pentru a evita comutarile dese.