几种数字传感器介绍（一）————温湿度传感器（HDC1080）

一、温湿度采集传感器（HDC1080）

1.简要概述
HDC1080是一种集成温度传感器的数字湿度传感器，具有出色的测量精度和超低的功耗。其具有14位测量分辨率，相对湿度精度为±2%,温度精度为±0.2°C，工作时平均电流在0.7-1.3uA级。

传感器供电电压为2.7V至5.5V，具有较高的电压兼容性，通过单片机读取数据一般不再需要额外设置电平转换控制芯片，其可以应用在温度监测控制系统、医疗设备、大型家用电器和手测计量表等领域。

TI官网数据手册：HDC1080 具有温度传感器的低功耗、高精度数字湿度传感器数据表 (Rev. A)

图为传感器功能框图和典型应用，采用3.3V电源供电，数据线（SDA）和时钟线（SCL）可接10kΩ上拉电阻。
在这里插入图片描述

HDC1080传感器管脚图：

HDC1080的管脚较为简单，为3*3mm小型器件封装，总共有6个管脚：
SDA,SCL为IIC通信管脚，与单片机IIC接口相连，一般要求接上拉电阻，兼容5V和3.3V；
VDD，GND为电源和地管脚，VCC可接5V或3.3V电源；
NC为闲置管脚，一般悬浮或接地。

2.编程应用
IIC时序图：
在这里插入图片描述
HDC1080作为从设备通过IIC总线与主机通信，由于HDC1080的地址固定为1000000（7位地址），IIC总线上不允许搭载多个HDC1080设备。芯片上电后至多15ms传感器便可进入工作状态，SCL时钟频率最小为10KHz，最大为400KHz。

读写传感器寄存器要将所需的寄存器地址值写入指针寄存器（指针值是从地址字节之后传输的第一个字节），即主机在发送从机寻址地址后，再发送需要具体操作的寄存器地址。对HDC1080的每次写入操作都需要指针寄存器的值，寄存器字节首先发送MSB，然后是LSB。HDC固定地址为七位二进制编码（1000000x），最后一位为读写标志位，10000000为写地址，10000001为读地址。
在这里插入图片描述

如图为写命令时序图：
1.主机发出起始信号，发送7位从设备地址和写寄存器命令，从机接收后发出应答信号
2.主机发送8位寄存器地址，从机接收并发出应答信号
3.主机发送高八位数据，从机接收并发出应答信号
4.主机发送低八位数据，从机接收并发出应答信号，主机发出停止信号。

根据上述写寄存器时序，可以编写HDC1080写函数：

void HDC1080_WriteReg(u8 Addr,u16 Data)
{
	unsigned char data[2];
	data[0] = (uint8_t)((Data& 0xFF00) >> 8);        //高八位数据
	data[1] = (uint8_t)(Data & 0x00FF);				 //低八位数据
	IIC_Start();   
	IIC_Send_Byte(0x80);   							 //地址为10000000，写寄存器
	IIC_Wait_Ack();             				     //等待从机应答信号
	IIC_Send_Byte(Addr);  							 //写寄存器地址
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(data[0]);   						 //发送高八位数据
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(data[1]);   						 //发送低八位数据
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Stop();   									 //停止信号
}

在这里插入图片描述
如图为读命令时序图：
1.主机发出起始信号，发送7位从设备地址和写寄存器命令，从机接收后发出应答信号
2.主机发送需要读取的寄存器地址，从机接收后返回应答信号
3.主机发出起始信号，发送7位从设备地址和读寄存器命令，从机接收发出应答信号
4.从机发送，主机接收高八位数据并发出应答信号
5.从机发送，主机接收低八位数据并发出应答信号，主机发出停止传输信号

根据上述读寄存器时序，可以编写HDC1080读函数：

u16 HDC1080_ReadReg(u8 Addr)
{	  
    unsigned char  bytes[2];
    u16 data;	    			   		            //需要接收的16位数（2字节）		 
    IIC_Start();   
	IIC_Send_Byte(0x80);     						//地址为10000000，写地址
	IIC_Wait_Ack();  
	IIC_Send_Byte(Addr);   							//需要读取的寄存器地址
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Start();  
	IIC_Send_Byte(0x81);  					        //地址为10000001，读地址
	IIC_Wait_Ack(); 
	bytes[1]=IIC_Read_Byte(1);   			        //读取高八位数据
	bytes[0]=IIC_Read_Byte(1);   					//读取低八位数据
	IIC_NAck();   
    IIC_Stop();     
    data=(bytes[1]<<8)+bytes[0];
	return data;												//返回16位数据
}

HDC1080测量配置：
使用以下步骤测量温度和湿度，然后检索结果

在寄存器地址0x02中配置采集参数：
（a）通过将位[12]设置为1，将采集模式设置为测量温度和湿度。
（b）设置所需的温度测量分辨率：–对于14位分辨率，将位[10]设置为0。–对于11位分辨率，将位[10]设置为1。
（c）设置所需的湿度测量分辨率：–对于14位分辨率，将位[9:8]设置为00。–对于11位分辨率，将位[9:8]设置为01。–将位[9:8]设置为10，以获得8位分辨率。
通过执行地址指针设置为0x00的指针写入转换来触发测量。
根据转换时间等待测量完成。
读取输出数据：在单个转换中，从寄存器地址0x00读取温度数据，然后从寄存器地址0x01读取湿度数据。

使用以下步骤只测量温度或只测量湿度，然后检索结果

在寄存器地址0x02中配置采集参数：
（a）通过将位[12]设置为0，将采集模式设置为只测量温度或只测量湿度。
（b）设置所需的温度测量分辨率：–对于14位分辨率，将位[10]设置为0。–对于11位分辨率，将位[10]设置为1。
（c）设置所需的湿度测量分辨率：–对于14位分辨率，将位[9:8]设置为00。–对于11位分辨率，将位[9:8]设置为01。–将位[9:8]设置为10，以获得8位分辨率。
通过执行地址指针设置来触发测量。
（a）地址指针设置为0x00转换来触发温度测量。
（b）地址指针设置为0x01转换来触发湿度测量。
根据转换时间等待测量完成。
读取输出数据：在单个转换中，从寄存器地址0x00读取温度数据，从寄存器地址0x01读取湿度数据。

HDC寄存器地址：
在这里插入图片描述

根据上述HDC测量配置，我们只需要定义;

# define HDC1080_TEMPERATURE	0x00
# define HDC1080_HUMIDITY		0x01
# define HDC1080_CONFIGURATION	0x02

使用到的配置寄存器描述（上述HDC1080测量配置中已有具体描述）：
在这里插入图片描述
温度寄存器为二进制格式的16位结果寄存器（2个LSB D1和D0始终为0）。采集结果始终为高14位值。结果的准确性与选择的转换时间有关，温度计算公式如下：

湿度寄存器同样为二进制格式的16位结果寄存器（2个LSB D1和D0始终为0）。采集结果始终为高14位值。结果的准确性与选择的转换时间有关，相对湿度计算公式如下：
在这里插入图片描述
根据HDC1080测量配置，可写HDC1080读取温湿度函数：

void HDC1080_ReadTempHumidity(void)
{
	uint16_t temp_data;
	uint16_t humidity_data;
	HDC1080_WriteReg(HDC1080_CONFIGURATION,0x3000);					//写配置寄存器为0x3000，测量温度和湿度，精度均为14位
	HDC1080_ReadReg(HDC1080_TEMPERATURE)；                     	    //配置指针地址为00，触发温度湿度测量
	delay_ms(20);   											    //延时20ms，等待转换完成
	temp_data=HDC1080_ReadReg(HDC1080_TEMPERATURE)；				//获取温度数据
	humidity_data=HDC1080_ReadReg(HDC1080_HUMIDITY)；				//获取湿度数据
	temperature=(float)165*temp_data/65536-40;						//温度转换
	humidity=(float)100*humidity_data/65536;						//湿度转换，这里温湿度定义为全局变量
}

(使用STM F1系列单片机)

HDC1080.h文件可定义为：

#ifndef __HDC1080_H
#define __HDC1080_H
#include "iic.h"
#include "delay.h"

//寄存器地址
# define HDC1080_TEMPERATURE	0x00
# define HDC1080_HUMIDITY		0x01
# define HDC1080_CONFIGURATION	0x02

extern float temperature,humidity;					//定义温湿度全局变量

void HDC1080_WriteReg(u8 Addr,u16 Data);			//HDC1080写函数
u16 HDC1080_ReadReg(u8 Addr);						//HDC1080读函数
void HDC1080_ReadTempHumidity(void);				//HDC1080获取温湿度

#endif

HDC1080.c文件可定义为：

#include "HDC1080.h"

float temperature,humidity;

void HDC1080_WriteReg(u8 Addr,u16 Data)
{
	unsigned char data[2];
	data[0] = (uint8_t)((Data& 0xFF00) >> 8);        //高八位数据
	data[1] = (uint8_t)(Data & 0x00FF);				 //低八位数据
	IIC_Start();   
	IIC_Send_Byte(0x80);   							 //地址为10000000，写寄存器
	IIC_Wait_Ack();             				     //等待从机应答信号
	IIC_Send_Byte(Addr);  							 //写寄存器地址
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(data[0]);   						 //发送高八位数据
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(data[1]);   						 //发送低八位数据
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Stop();   									 //停止信号
}

u16 HDC1080_ReadReg(u8 Addr)
{	  
    unsigned char  bytes[2];
    u16 data;	    			   		            //需要接收的16位数（2字节）		 
    IIC_Start();   
	IIC_Send_Byte(0x80);     						//地址为10000000，写地址
	IIC_Wait_Ack();  
	IIC_Send_Byte(Addr);   							//需要读取的寄存器地址
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Start();  
	IIC_Send_Byte(0x81);  					        //地址为10000001，读地址
	IIC_Wait_Ack(); 
	bytes[1]=IIC_Read_Byte(1);   			        //读取高八位数据
	bytes[0]=IIC_Read_Byte(1);   					//读取低八位数据
	IIC_NAck();   
    IIC_Stop();     
    data=(bytes[1]<<8)+bytes[0];
	return data;												//返回16位数据
}

void HDC1080_ReadTempHumidity(void)
{
	uint16_t temp_data;
	uint16_t humidity_data;
	HDC1080_WriteReg(HDC1080_CONFIGURATION,0x3000);					//写配置寄存器为0x3000，测量温度和湿度，精度均为14位
	HDC1080_ReadReg(HDC1080_TEMPERATURE)；                     	    //配置指针地址为00，触发温度湿度测量
	delay_ms(20);   											    //延时20ms，等待转换完成
	temp_data=HDC1080_ReadReg(HDC1080_TEMPERATURE)；				//获取温度数据
	humidity_data=HDC1080_ReadReg(HDC1080_HUMIDITY)；				//获取湿度数据
	temperature=(float)165*temp_data/65536-40;						//温度转换
	humidity=(float)100*humidity_data/65536;						//湿度转换，这里温湿度定义为全局变量
}

其他更详尽的资料请自行参考数据手册。

参考资料：
1.HDC1080数据手册(文中插图均来自数据手册)，代码为本人编写。
2.参看AnthonyYMH的博客可能对理解有所帮助：HDC1080温湿度驱动 IIC I2C STM32

几种数字传感器介绍（一）————温湿度传感器（HDC1080）

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