一个可靠的温湿度采集方案：用PIC/MSP430单片机驱动IIC总线SHT20（附代码）

原创 于 2025-12-08 10:30:00 发布 · 233 阅读 · 4 ·
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#单片机 #嵌入式硬件 #物联网

在工业环境监测、智慧农业或仓储管理系统中，温湿度是两个最基础也最关键的参数。它们直接关系到产品质量、设备安全甚至能耗成本。六、七年前，当我需要一个既精准又稳定的数字温湿度方案时，我选择了SHT20这款传感器，并通过最简洁的IIC总线与PIC或MSP430单片机连接。

今天，我想分享这个经过多年项目验证的方案。它不仅成本低廉、线路简单，更重要的是，在干扰复杂的现场，它表现出了出色的可靠性。

一、 为什么选择SHT20与IIC总线？

在众多传感器中做出选择，我主要基于以下几点工业应用的考量：

  1. SHT20的核心优势：
    • 高精度与稳定性：典型精度可达±3%RH（湿度）和±0.3°C（温度），且长期漂移极小，适合需要连续监测的场合。
    • 全量程标定：出厂已校准，无需用户再次标定，节省了生产环节的工序和成本。
    • 数字输出，抗干扰强：直接输出数字信号，避免了模拟信号在长距离传输中的衰减和干扰问题，这是工业现场最看重的特性。
  2. IIC总线的实用性：
    • 接线极致简单：仅需两根线（SDA数据线、SCL时钟线），加上电源和地，即可实现双向通信，极大简化了布线。
    • 节省单片机资源：可以挂载多个IIC设备，共用总线，非常适合需要采集多路参数的系统。

下图是我在多个低成本项目中使用的核心电路，基于PIC12F1822这款仅有8个引脚的单片机

 

电路解读与设计要点：

  • 核心极简：连接关系一目了然，单片机的两个通用I/O口（RA0, RA2）分别连接SHT20的SDA和SCL。
  • 关键上拉电阻：SDA和SCL线上的10kΩ上拉电阻（R1, R2）是必不可少的。IIC总线是开漏输出，必须依靠上拉电阻将电平拉高，其阻值大小会影响总线速度和抗干扰能力，在一般应用中，4.7kΩ-10kΩ是常用范围。
  • 电源去耦：为SHT20的VDD引脚就近放置一个0.1μF的瓷片电容（C1），能有效滤除电源噪声，保证传感器内部ADC的稳定工作。

二、 软件核心：精准的IIC时序模拟

对于PIC12F1822这类没有硬件IIC模块的小封装单片机，我们需要用软件“模拟”出标准的IIC时序。这是整个驱动的基础，其关键在于极精确的微秒级延时。

以下是经过多年锤炼的IIC底层驱动代码，你可以将它视为一个可靠的模板。

#include<pic12f1822.h>

__CONFIG(0x083c); //内部晶振

__CONFIG(0x3612);

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define SHTSCK_SET     RA2=1

#define SHTSCK_CLR     RA2=0

#define SHTSCK_DIR_OUT TRISA2=0

#define SHTSCK_DIR_IN  TRISA2=1

#define SHTSCK_IN      RA2

#define SHTDA_SET      RA0=1

#define SHTDA_CLR      RA0=0

#define SHTDA_DIR_OUT  TRISA0=0

#define SHTDA_DIR_IN   TRISA0=1

#define SHTDA_IN       RA0

#define SHTWRITE       0x80   //地址1000 000   0表示写

#define SHTREAD        0x81   //               1表示读

void StateI2C(void);

void STOPI2C(void);

void Response(uchar a);

void SHT_Master_byte2(uchar byte);

uchar SHT_Master_byte(uchar byte);

uchar SHT_Receiver_byte(void);

unsigned int temp();

unsigned int humi();

//uchar write_Register(uchar aaa);

void delay(unsigned int v)

{

  while(v--){};

}

void delay2us(void)

{

  asm("nop");//也可以用for循环，我当时测试时觉得用这么多个nop比较合适，可以在此基础上加减几个。

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

  asm("nop");

 

}

void StateI2C(void)

{

 

  SHTDA_DIR_OUT;

  SHTSCK_DIR_OUT;

  SHTDA_SET;

  SHTSCK_SET;

  delay2us();

  SHTDA_CLR;

  delay2us();

  SHTSCK_CLR;

//  delay2us();

}

//******************************STOPI2C**************************************

//**************************单片机结束信号***********************************

void STOPI2C(void)

{

  SHTSCK_CLR;

  SHTDA_CLR;

  delay2us();

  SHTSCK_SET;

  delay2us();

  SHTDA_SET;

  delay2us();

}

//******************************STOPI2C**************************************

//***************************单片机回应从机**********************************

void Response(uchar a)                  //应答  SDA为低电平，SCL为高电平

{

  if(a==0) SHTDA_CLR;   //主机“应答”继续传输

  else  SHTDA_SET;      //“非应答”表示数据传输结束 

  SHTSCK_SET;

  delay2us();

  SHTSCK_CLR;

//  delay2us();

 

 }

//********************单片机输出 1byte 数据******************************

//uchar SHT_Master_byte(uchar byte)

void SHT_Master_byte2(uchar byte)

{

  uchar i;

//  uchar ack=0;

  SHTSCK_CLR; 

  SHTDA_CLR;

  SHTDA_DIR_OUT;

  SHTSCK_DIR_OUT;

  for(i=0;i<8;i++)

  {

    if(byte&0X80) SHTDA_SET;

    else SHTDA_CLR;

    SHTSCK_SET;

    delay2us();

    SHTSCK_CLR;  

    delay2us();

    byte*=2;     //左移一位

  }

//  SHTDA_DIR_IN;

//  _NOP();

  SHTSCK_SET; 

//  if(P1IN&BIT4) ack=1;     //回应

    delay2us();

  SHTSCK_CLR; 

//  return(ack);

}

//********************单片机输出 1byte 数据******************************

uchar SHT_Master_byte(uchar byte)

{

  uchar i;

  uchar ack=0;

  SHTSCK_CLR; 

  SHTDA_CLR;

  SHTDA_DIR_OUT;

  SHTSCK_DIR_OUT;

  for(i=0;i<8;i++)

  {

    if(byte&0X80) SHTDA_SET;

    else SHTDA_CLR;

    SHTSCK_SET;

    delay2us();

    SHTSCK_CLR;  

    delay2us();

    byte*=2;     //左移一位

  }

  SHTDA_DIR_IN;

//  _NOP();

  SHTSCK_SET;  

  delay2us();

  if(RA0) ack=1;     //回应

  SHTSCK_CLR; 

  return(ack);

}

//********************从机输出1byte 数据******************************

uchar SHT_Receiver_byte(void)

{

  uchar aaa=0,i;

  for(i=0;i<8;i++)

  {

  SHTDA_DIR_IN;

    aaa*=2;

    SHTSCK_SET;

    delay2us();  

    if(SHTDA_IN) aaa+=1;

    SHTSCK_CLR;   

    delay2us();

  }

  return(aaa);

}

//**************************非主机模式温度测试*****************************

unsigned int temp()

{

  uint  aaa=0;

  uchar ack;

//  unsigned long bbb;

  uchar tem1,tem2;

//  uchar test;

  StateI2C();                           

   SHT_Master_byte2(0x80);   //地址+写

   SHT_Master_byte2(0xf3);   //命令：非主机温度测试

 

   

   do

   {

     asm("nop");

//     delay2us();              

     StateI2C();

     ack = SHT_Master_byte(0x81);   //命令：读取数据。。等待回应

   }

   while(ack==1);

    delay2us();

   SHTDA_DIR_IN;

    delay2us();

   tem1=SHT_Receiver_byte();   //读取数据高八位

     delay2us();

   SHTDA_DIR_OUT;

   Response(0);               //单片机回应

   SHTDA_DIR_IN;

   tem2 = SHT_Receiver_byte();    //读取数据低八位

   SHTDA_DIR_OUT;

//   Response(1);

//   SHTDA_DIR_IN;

//  test = SHT_Receiver_byte();

   STOPI2C();

   aaa = (aaa|tem1)*256+tem2;

  

   return(aaa);

}

//**************************非主机模式湿度测试*****************************

unsigned int humi()

{

  uint  aaa=0;

  uchar ack;

  uchar tem1,tem2;

//  uchar test;

  StateI2C();                              

   SHT_Master_byte2(0x80);  //地址+写

   SHT_Master_byte2(0xf5);   //命令：非主机湿度测试

   do

   {

     asm("nop");

     delay2us();

     StateI2C();

     ack = SHT_Master_byte(0x81);    //命令：读取数据。。等待回应

   }

   while(ack==1);

    delay2us();

   SHTDA_DIR_IN;

   delay2us();

   tem1=SHT_Receiver_byte();  //读取数据高八位

    delay2us();

   SHTDA_DIR_OUT;

   Response(0);        //单片机回应

   SHTDA_DIR_IN;

   tem2=SHT_Receiver_byte();  //读取数据低八位

   SHTDA_DIR_OUT;

//   Response(1);

//   SHTDA_DIR_IN;

//  test = SHT_Receiver_byte();

   STOPI2C();

   aaa = (aaa|tem1)*256+tem2;

 

   return(aaa);

}

void main()

{

       unsigned char i=0;

       TRISA=0x28;

       PORTA=0x00;

       APFCON=0x8c;//选择串口UART管脚

       ANSELA=0x0;//管脚不用于模拟量

       PIE1=0x01;

       INTCON=0x40;

       OSCCON=0x7b;  //16MHZ内部晶振

       WDTCON=0x1c;  //看门狗16秒

       //其他初始化程序

       while(1)

       {

              //加入采集温湿度程序

       }

}

三、 实战经验与避坑指南

在多个现场应用后，我总结出以下几点关键经验：

  1. 上拉电阻是灵魂：阻值过大会导致上升沿缓慢，在高速模式或总线电容大时容易出错；阻值过小则增加功耗，且可能超出I/O口拉电流能力。4.7kΩ-10kΩ是典型值，布线较长时可适当减小，实测10k时IIC总线不超过30cm。
  2. 时序必须精确：IIC协议对时序有严格要求。文章中的delay2us()函数是针对16MHz主频的PIC12F1822校准的。如果更换单片机或主频，必须重新校准延时，确保SCL时钟周期满足传感器要求。
  3. 长线传输问题：当传感器远离单片机（超过1米）时，总线电容增大，可能导致信号畸变。此时应：
    • 使用更小的上拉电阻（如2.2kΩ）增强驱动能力。
    • 考虑改用RS-485接口的变送器。

四、 移植到MSP430单片机

将代码移植到MSP430（如MSP430F415）非常简单：

  1. 修改引脚宏定义，指向MSP430的对应引脚（如P1OUT, P1DIR, P1IN）。
  2. 重写delay2us()函数。MSP430的指令周期与PIC不同，需要根据其主频重新计算NOP指令数量。
  3. MSP430有的拥有硬件IIC模块，如果对速度或CPU占用率有更高要求，可以配置使用硬件模块，代码结构会更简洁。

结语

通过PIC/MSP430的普通I/O口模拟IIC总线来驱动SHT20，是一个在成本、精度和可靠性之间取得绝佳平衡的方案。它不需要昂贵的专用芯片，却能提供媲美高端仪表的稳定数据。

掌握一种总线的本质，比会用十个不同的库更重要。 IIC如此，RS-485、SPI亦如此。这份用时间打磨出来的代码，希望能在你的下一个项目中发挥作用。

另：本文介绍的温湿度采集也可以做一个小板子，集成LDO、SHT20和RS485总线，可以安装在采集现场，通过RS485总线连接到控制柜，需要精度更高的传感器可以采用SHT30等。

你用过哪些IIC总线模块或者在IIC驱动方面遇到过哪些问题，欢迎关注我在评论区留言！

后续干货不断，咱们一起在单片机的世界里，共同进步。

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