■ デジタル温度＆湿度センサーSHT21・HDC1000を制御する ■


　小型で低消費電力な温度・湿度センサー、SHT21 (Sensirion) とHDC1000 (Texas Instruments) を、AVRマイコンで制御します。
　両センサーは、温度と湿度の計測値をデジタル・データで取得できるので、ノイズの影響を抑えた精度の良い測定が可能です。
　老舗Sensirionの信頼性を取るか、多少安価なTexas Instrumentsにするか、比較検討です。


 型　　名 SHT21 HDC1000
 電源電圧  2.1V 〜 3.6V  2.7V 〜 5.5V
 消費電力（電流）  測定中：最大 330μA
 待機中：最大 0.4μA		  測定中：最大 220μA
 待機中：最大 0.2μA
 測定範囲 温度  -40 〜 125℃  -40 〜 125℃
湿度  0 〜 100％RH  0 〜 100％RH
 精　　度 温度  標準 ±0.3℃  標準 ±0.2℃
湿度  標準 ±2％RH  標準 ±3％RH
 感度と解像度
（分解能）		 温度  0.01℃　(14bit)  0.01℃　(14bit)
湿度  0.04％RH　(12bit)  0.01％RH　(14bit)
 再 現 性 温度  ±0.1℃  ±0.1℃
湿度  ±0.1％RH  ±0.1％RH
 湿度ヒステリシス  ±1％RH  ±1％RH
 長期安定性 温度  < 0.02℃ / 年 　
湿度  < 0.25％RH / 年  ±0.5％RH / 年
 変換時間  温度  最大 85mS　(14bit)  標準 6.35mS　(14bit)
湿度  最大 29mS　(12bit)  標準 6.5mS　(14bit)
 サンプリング周期  １秒以上  １秒以上
 接　　続  2線式（I2Cプロトコル）  2線式（I2Cプロトコル）


・制御のテストは、当ページに掲載の
　AVR & BASCOM-AVR トレーニング・ボード
　を使用しています。
　
・もちろん、各種のAVRやポートを選択することも
　可能です。



SHT21　(Sensirion)
　
・「ストロベリー・リナックス」で販売されている、SHT-21モジュールを使用します。
・センサーとの通信はI2C規格に従って、クロック[SCL]とデータ[SDA]の2本の
　通信線が必要です。
SHT21 日本語マニュアル

・このセンサーのシリーズには、SHT20、SHT21、SHT25がありますが、
　精度の違いなので、同じプログラムが使用できます。
・このセンサーは光に感応しませんが、直射日光はセンサーの劣化を早くします。
・有機溶剤や揮発性の化学物質はセンサーに悪い影響を与えますから、
　ハンダ付け時のフラックス飛散や基板洗浄には注意して下さい。
　
● 回　路
　
・回路図は、SHT21とHDC1000の共用です。
・トレーニング・ボードの電源は5Vで、SHT21は3.3V(最大3.6V)の電源を使用するので、3端子
　　レギュレータで3.3Vを供給します。
・クロック[SCL]とデータ[SDA]は、必ず4.7K〜10KΩの抵抗器で、電源からプルアップして下さい。
　（距離が長い場合は4.7KΩ）
　抵抗器の接続は、マイコン側・センサー側のどちらでも可能です。
・I2Cバスは、プルアップ抵抗器を3.3Vに接続する事で、簡易的に5V→3.3Vのレベル変換を
　行っています。
・ストロベリー・リナックスのSHT21モジュールは、I2Cスレーブアドレスが[80h]の固定です。
　秋月電子のHDC1000モジュールも、I2Cスレーブアドレスが[80h]の固定なので、I2Cバスを2セット
　用意して、同時に制御ができるようにしています。
・クロック[SCL]とデータ[SDA]を接続するポートは、同一ポートならば任意のピンに選択できます。
・センサーとの距離が長くなる場合は、シールド線を使用したり、クロック速度を落とす対策をして下さい。
　
回 路 図 　PDF版　ATB_SHT21_HDC1000_Cir.pdf
　
　　　注意！ この図面を使用した、いかなる損害にも責任を負いません。
　
● プログラム
　
・SHT21は、電源投入後の初期値で、温度の分解能=14bit、湿度の分解能=12bitになっていますから、
　初期設定を変更せずにそのまま使用します。　（他の初期設定等も必要ありません）
・このセンサーの動作には、「ホールド」と「非ホールド」マスターモードがあります。
　同じI2Cバスに他のデバイスを接続して通信する場合は、「非ホールド・マスターモード」を使用します。
・SHT21には1秒毎に温度と湿度を交互に測定させ、LCDの左上に温度、左下に湿度を表示します。
　（個々の測定間隔は2秒です）
・温度および湿度の測定は、それぞれの測定開始コマンドを送信してから、12bit時で29mS、14bit時で
　85mS待つ必要があります。
　「非ホールド」マスターモードを使用するため、測定開始後に固定値で100ms待機する事で、測定が
　終了するのを待ちます。
　実機のプログラムでは、測定開始コマンドを送信してから次の測定開始時（1秒後など）に測定値を
　読み込むのが効率的です。　（センサーは測定が終了すると、スリープモードで待機します）
・測定したデータはマニュアルに従って、温度と湿度のそれぞれを変換する計算を行います。
　テストプログラムでは小数点演算を避けるため、全ての数値を100倍して計算しています。
　
・エラー表示
・「ACKerror」 −SHT21が接続されていない、または機能していない。
　　SHT21の接続を確認して下さい。
・「CRC Err.」 −SHT21との通信にノイズ等の影響があった、またはデータ線[SDA]が
　　[L]レベル。　ケーブル等のノイズ対策を行って下さい。　データ線[SDA]を確認して下さい。
・「NACK Ret」 −変換終了の待機時間が不足している。　（変換が終了していない）
　　プログラムを変更した場合に、各自のプログラムを確認して下さい。
　
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　Atb_SHT21_HDC1000_Test002.TXT
　ＢＡＳＣＯＭ用 ソースファイル 　Atb_SHT21_HDC1000_Test002.bas
　
注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）






HDC1000　(Texas Instruments)
　
・「秋月電子」で販売されている、AE-HDC1000モジュールを使用します。
・センサーとの通信はI2C規格に従って、クロック[SCL]とデータ[SDA]の2本の
　通信線が必要です。
・HDC1000はSHT21と比べて変換時間が短いため、さらに低消費電力です。
　
・HDC1000はセンサーがチップの底面にあるためか、SHT21よりも反応が遅く
　感じられます。　（室温などの変化の遅い測定では問題ありません）
・秋月電子のHDC1000モジュールは、基板上にI2Cのプルアップ抵抗器2本と
　DRDYnピンにもプルアップ抵抗器が付いています。
　このDRDYnピンのプルアップ抵抗器は、「ありがた迷惑」な存在です。
　低消費電力が売りのセンサーですが、変換が終了してデータを読みに行く
　までの間、この抵抗器に無駄な電流が流れ続けてしまいます。
　（DRDYnピンを使用しない用途でも、ピンの出力は[L]レベルのままになります）
　基板のパターンをカットすれば回避はできますが、基板が小さいので注意が
　必要です。
・ストロベリー・リナックスの「HDC1050モジュール」も、選択肢の一つでしょう。
　
・有機溶剤や揮発性の化学物質はセンサーに悪い影響を与えますから、
　ハンダ付け時のフラックス飛散や基板洗浄には注意して下さい。
　
　　HDC1000の日本語マニュアルが見つからないので、私的に翻訳してあります。
HDC1000 日本語マニュアル 原本 HDC1000
　
　　個人で使用するために翻訳した物を掲載しておりますので、翻訳間違いや誤字による、
　　いかなる損害にも責任を負いません。
　
● 回　路
　
・回路図は、SHT21とHDC1000の共用です。
・トレーニング・ボードの電源は5Vで、HDC1000も5V動作が可能ですが、電圧が上がると消費電力も
　上がるので、SHT21と同じくレギュレータで降圧した3.3Vを供給します。
・モジュール基板上に[SCL]と[SDA]のプルアップ抵抗器が付いていますから、外付けは不要です。
・I2Cバスのプルアップ抵抗器も3.3Vに接続されるので、簡易的に5V→3.3Vのレベル変換が行われます。
・秋月電子のHDC1000モジュールは、I2Cスレーブアドレスが[80h]の固定です。
　ストロベリー・リナックスのSHT21モジュールも、I2Cスレーブアドレスが[80h]の固定なので、
　I2Cバスを2セット用意して、同時に制御ができるようにしています。
・クロック[SCL]とデータ[SDA]を接続するポートは、同一ポートならば任意のピンに選択できます。
・センサーとの距離が長くなる場合は、シールド線を使用したり、クロック速度を落とす対策をして下さい。
・センサーの変換終了を待ち時間で確定するため、RDY（DRDYn）ピンは使用しません。
　
回 路 図 　PDF版　ATB_SHT21_HDC1000_Cir.pdf
　
　　　注意！ この図面を使用した、いかなる損害にも責任を負いません。
　
● プログラム
　
・HDC1000は、電源投入後の初期値で、温度の分解能=14bit、湿度の分解能=14bit、
　取得モード=温度と湿度を順番に取得、になっていますから、初期設定を変更せずにそのまま
　使用します。　（他の初期設定等も必要ありません）
・HDC1000には1秒毎に温度と湿度を測定させ、LCDの右上に温度、右下に湿度を表示します。
・温度および湿度の測定は、測定の起動コマンドを送信してから14bit時で温度が6.35ms、
　湿度が6.5ms待つ必要があります。
　測定起動後に固定値で100ms待機する事で、測定が終了するのを待ちます。
　実機のプログラムでは、測定起動コマンドを送信してから次の測定起動時（1秒後など）に測定値を
　読み込むのが効率的です。　（センサーは測定が終了すると、スリープモードで待機します）
・測定したデータはマニュアルに従って、温度と湿度のそれぞれを変換する計算を行います。
　テストプログラムでは小数点演算を避けるため、全ての数値を100倍して計算しています。
　
・エラー表示
・「ACKerror」 −HDC1000が接続されていない、または機能していない。
　　HDC1000の接続を確認して下さい。
・「NACK Ret」 −変換終了の待機時間が不足している。　（変換が終了していない）
　　プログラムを変更した場合に、各自のプログラムを確認して下さい。
　
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　Atb_SHT21_HDC1000_Test002.TXT
　ＢＡＳＣＯＭ用 ソースファイル 　Atb_SHT21_HDC1000_Test002.bas
　
注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）






SHT21 と HDC1000 の同時比較
・SHT21とHDC1000、旧タイプのSHT11とアナログ計を同時に
　比較しました。
・各センサーは、規格表内の偏差でそれぞれ良い数値を
　出しています。
・別メーカーのセンサーがここまでの近似値を出しているので、
　室温では双方とも精度に問題がないと言えるでしょう。
・HDC1000はセンサーがチップの底面にあるためか、
　SHT21よりも反応が遅く感じられます。
　
・HDC1000はSHT21より新しいセンサーなので、経年変化
　などの実績は、今後見守る必要があります。
・温度・湿度センサーSHT21とHDC1000のテスト動画です。
・一桁台の室温からブロワーで加熱して自然冷却した
　様子です。
・センサーが室温に安定した後に、センサーに息を
　吹きかけています。
・双方の反応速度の違いが見られます。








■ デジタル温度＆湿度センサーSHT31を制御する ■


　小型で低消費電力な温度・湿度センサーSHT21 (Sensirion) の後継品で、精度が向上し、電源電圧範囲も広くなっています。
　温度と湿度の計測値をデジタル・データで取得でき、ノイズの影響を抑えた精度の良い測定が可能です。
　また、マニュアルを理解しなければならない面倒な動作設定や、較正のための複雑な計算も不要なので、とても扱いやすいセンサーです。
　多少高価ですが、老舗Sensirionの信頼性を考慮して、お勧めのセンサーです。


 型　　名 SHT21 SHT31
 電源電圧  2.1V 〜 3.6V  2.4V 〜 5.5V
 消費電力（電流）  測定中：最大 330 μA
 待機中：最大 0.4 μA		  測定中：最大 1500 μA
 待機中：最大 2 μA
 測定範囲 温度  -40 〜 125 ℃  -40 〜 125 ℃
湿度  0 〜 100 %RH  0 〜 100 %RH
 精　　度 温度  標準 ±0.3 ℃  標準 ±0.3 ℃
湿度  標準 ±2 %RH  標準 ±2 %RH
 感度と解像度
（分解能）		 温度  0.01 ℃　(14bit)  0.015 ℃　(16bit)
湿度  0.04 %RH　(12bit)  0.01 %RH　(16bit)
 再 現 性 温度  ±0.1 ℃  設定レベル：高　0.06 ℃
湿度  ±0.1 %RH  設定レベル：高  0.1 %RH
 湿度ヒステリシス  ±1 %RH  ±0.8 %RH
 長期安定性 温度  < 0.02 ℃ / 年  < 0.03 ℃ / 年
湿度  < 0.25 %RH / 年  < 0.25 %RH / 年
 変換時間  温度  最大 85 mS　(14bit)  設定レベル：高　最大 15 mS
湿度  最大 29 mS　(12bit)
 サンプリング周期  １秒以上  100 mS （連続測定 10mps）
 接　　続  2線式 （I2Cプロトコル）  2線式 （I2Cプロトコル）
 クロック周波数  400KHz  1MHz


SHT31　(Sensirion)
　
・「ストロベリー・リナックス」で販売されている、
　SHT-31モジュール
・中国通販（AliExpress）のモジュール。

　・センサーとの通信はI2C規格に従って、クロック[SCL]とデータ[SDA]の2本の通信線が必要です。
　・I2Cのアドレスを2つから選択できます。　（8bitアドレス[88h]と[8Ah]）

SHT31 日本語マニュアル

　・このセンサーのシリーズには、SHT30、SHT31、SHT35がありますが、精度の違いなので
　　同じプログラムが使用できます。
　・有機溶剤や揮発性の化学物質はセンサーに悪い影響を与えますから、ハンダ付け時の
　　フラックス飛散や基板洗浄には注意して下さい。
・制御のテストは、小型のゲーム基板「Gamebuino」を
　使用しています。
　Gamebuino　[Arduino]互換の小型ゲーム基板　
　
・もちろん、各種のAVRやポートを選択することも可能です。
　
● 回　路
　
・小型のゲーム基板「Gamebuino」のI2C端子に、ピンの変換基板を作製して接続します。
・クロック[SCL]とデータ[SDA]のプルアップ抵抗器は、「Gamebuino」基板に内蔵されています。
・各種AVRで制御する場合は、必ず[SCL]と[SDA]を4.7K〜10KΩの抵抗器で電源からプルアップ
　して下さい。　（距離が長い場合は4.7KΩ）
　抵抗器の接続は、マイコン側・センサー側のどちらでも可能です。
・センサーとの距離が長くなる場合は、シールド線を使用したり、クロック速度を落とす対策をして下さい。
・各モジュールにはアドレスの選択ピン（ADDR または AD）がありますので、使用するアドレス設定に
　合わせて、必ず電源またはGNDへ接続してください。　
　（8bitアドレス、GNDに接続で[88h]、電源に接続で[8Ah]）
　
回 路 図 　PDF版　Gamebuino_SHT31_Cir.pdf
　
　　　注意！ この図面を使用した、いかなる損害にも責任を負いません。
　
● プログラム
　
・SHT31は、測定コマンドを出した時に1回の測定を行う「単発測定コマンド」と、周期的に（1秒間に
　0.5、1、2、4、10回）測定を繰り返す「周期的連続測定コマンド」があります。
・それぞれのコマンドに、精度のレベル（高、中、低）が選択できます。
・精度レベルにより変換時間が変わり（高→長い、低→短い）、それにより消費電力も変わりますから、
　用途に合わせて選択してください。
　
・「単発測定コマンド」は、コマンドを出した後、精度レベルによる変換時間を待ってから、温度と湿度の
　データを読み出します。
・「クロック・ストレッチ」機能を使うと、変換中に[SCL]線が[L]にされ、測定の完了で[H]になって
　測定データ送信してきますので、最短の時間で処理が可能です。
・ただし、他のI2Cデバイスを同じI2C線上に接続している場合は、変換中の通信ができなくなります。
　
・「周期的連続測定コマンド」は、選択された周期（1秒間に0.5、1、2、4、10回）で測定を繰り返します。
・「クロック・ストレッチ」機能は使えません。
・測定データは任意のタイミングで読み出せますが、測定データが無い場合（測定周期より早い時間で
　読み出した場合）は、[NACK]が返送されます。
・例えばセンサーに1秒ごとの測定を設定して、マイコンのTimerで1秒ごとに読み出した場合、1秒の
　精度の違いにより、まれにデータが取れないタイミングが発生する可能性がありますので、
　[NACK]が返送された場合はそのデータを無効にする対策も必要です。
　
・その他の詳細な設定や機能は、マニュアルを確認してください。
　
・テストプログラムでは、「単発測定コマンド」、「精度：高」、「クロックストレッチ：無し」で測定を行い、
　「Waitms 20」命令で、測定の完了を待った後に測定データを読み出します。
・測定されたデータはマニュアルに従って、それぞれを温度と湿度値に変換する計算を行います。
　テストプログラムでは小数点演算を避けるため、全ての数値を100倍して計算しています。
・CRC（チェックサム）の計算も行っていますので、エラー判定やエラーの表示は各自でプログラムを
　追加してください。
　
　・HEXファイルをSDカードに書き込み、「SDカードからのブート」を行う事もできます。
　
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_101.TXT
　ＢＡＳＣＯＭ用 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_101.bas
　フォント・ファイル  　Gamebuino_font6x8.font
　Font10x16num.font 
　SDカード用　HEXファイル 　SHT-31__.HEX
　
注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）






SHT31 「ストロベリー・リナックス」と中国通販（AliExpress）の比較
・「ストロベリー・リナックス」と中国通販（AliExpress）を同時に
　比較しました。
・[ADDR] ピンにより、I2Cアドレスを変えています。
　
・価格は3倍も違いますが、問題なく動作しています。
　
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_X2_101.TXT
　ＢＡＳＣＯＭ用 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_X2_101.bas
　
注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）






SHT31 と BME280 の同時比較
・SHT31とBME280を同時に比較しました。
　
・両者の差のバラツキは、温度で1℃、湿度で3%程度でした
　ので、周囲環境の微妙な差を含めても、良い値を出して
　いると思います。
　
・BME280は電源電圧が1.71V 〜 3.6Vと使い勝手が悪く、
　規格上の精度もSHT31には及びません。
・また、BME280は測定データに複雑な較正計算が必要で、
　マイコンのフラッシュ容量の増大と消費電流の増大が
　懸念されます。
・温度、湿度、気圧が1つのセンサーで測定できることと
　価格の面を除けば、温度と湿度の標準センサーは
　SHT31がお勧めです。
　
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_BME280_101.TXT
　ＢＡＳＣＯＭ用 ソースファイル 　Gamebuino_SHT31_BME280_101.bas
　
注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）





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