آموزش کامل سنسور SHT31 با ESP32 و Arduino

SHT31 چیست و چه کاربردهایی دارد؟

SHT31-DIS یک سنسور دیجیتال کالیبره‌شده برای اندازه‌گیری هم‌زمان دما و رطوبت نسبی است. خروجی دیجیتال، جبران‌سازی داخلی، اندازه کوچک و دقت مناسب باعث شده این قطعه در دیتالاگرها، ترموستات، گلخانه، تجهیزات پزشکی غیرتشخیصی، انبار، تهویه مطبوع، ایستگاه هواشناسی و پروژه‌های IoT استفاده شود.

این خانواده چند عضو دارد. SHT30، SHT31 و SHT35 از نظر فرمان‌های ارتباطی بسیار شبیه‌اند، اما حدود دقت آن‌ها یکسان نیست. هنگام خرید، نوشته روی قطعه و شماره دقیق سفارش را بررسی کنید؛ نام عمومی «SHT3x» به‌تنهایی برای نتیجه‌گیری درباره دقت کافی نیست.

چطور دیتاشیت SHT31 را درست بخوانیم؟

برای انتخاب سنسور فقط به یک عدد بزرگ روی صفحه فروشگاه اکتفا نکنید. جدول‌های Electrical Specifications را همراه با شرایط آزمون بخوانید:

پایه‌ها، آدرس I2C و سیم‌کشی

SDA و SCL خروجی Open-drain هستند و به مقاومت Pull-up نیاز دارند. بسیاری از ماژول‌ها این مقاومت‌ها را نصب کرده‌اند. موازی شدن Pull-up چند ماژول مقاومت معادل را کم می‌کند و ممکن است به باس فشار بیاورد. مقدار مناسب به ولتاژ، فرکانس و ظرفیت کل باس بستگی دارد.

پایه ADDR آدرس را تعیین می‌کند: اتصال به VSS معمولاً آدرس 0x44 و اتصال به VDD آدرس 0x45 می‌دهد. این قابلیت اجازه می‌دهد دو SHT31 روی یک باس استفاده شوند.

حالت‌های اندازه‌گیری و فرمان‌های مهم

در حالت Single-shot، میکروکنترلر یک فرمان می‌فرستد، سنسور یک بار اندازه‌گیری می‌کند و سپس داده خوانده می‌شود. این حالت برای مصرف پایین و نمونه‌برداری آرام مناسب است. در حالت Periodic، سنسور با نرخ 0.5 تا 10 نمونه بر ثانیه اندازه‌گیری می‌کند و نتیجه با فرمان Fetch Data خوانده می‌شود.

برای شکستن حالت Periodic از 0x3093 و برای Soft Reset از 0x30A2 استفاده می‌شود. در نرخ‌های بالا، اندازه‌گیری پیوسته می‌تواند تراشه را کمی گرم کند و دمای خوانده‌شده را بالا ببرد؛ نرخ را فقط به اندازه نیاز پروژه انتخاب کنید.

ساختار داده، تبدیل مقدار خام و CRC

پس از فرمان اندازه‌گیری، شش بایت خوانده می‌شود. مقدار خام 16 بیتی با رابطه‌های زیر تبدیل می‌شود:

temperatureC = -45.0 + 175.0 * rawTemperature / 65535.0;
relativeHumidity = 100.0 * rawHumidity / 65535.0;

برای اطمینان از سالم بودن انتقال، هر دو بخش CRC جداگانه دارند. CRC-8 این خانواده با چندجمله‌ای 0x31 و مقدار آغازین 0xFF محاسبه می‌شود. در محصول واقعی، به‌خصوص روی کابل بلند، حذف بررسی CRC تصمیم درستی نیست.

راه‌اندازی Arduino با کتابخانه Adafruit SHT31

1. در Library Manager عبارت Adafruit SHT31 را نصب کنید.
2. اتصالات I2C را انجام دهید و ابتدا آدرس 0x44 را امتحان کنید.
3. Serial Monitor را روی 115200 قرار دهید.

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SHT31.h>

Adafruit_SHT31 sht31 = Adafruit_SHT31();

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  if (!sht31.begin(0x44)) {
    Serial.println("SHT31 not found");
    while (true) delay(10);
  }
}

void loop() {
  const float temperature = sht31.readTemperature();
  const float humidity = sht31.readHumidity();

  if (!isnan(temperature) && !isnan(humidity)) {
    Serial.printf("T: %.2f C | RH: %.2f %%\n", temperature, humidity);
  } else {
    Serial.println("Read error");
  }
  delay(2000);
}

خواندن مستقیم SHT31 با ESP32 و Wire

کد زیر فرمان High repeatability بدون Clock stretching را می‌فرستد، 15 میلی‌ثانیه صبر می‌کند، شش بایت را می‌خواند و CRC هر بخش را کنترل می‌کند. در بردهایی که پایه پیش‌فرض I2C متفاوت است، از Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN) استفاده کنید.

#include <Wire.h>

constexpr uint8_t SHT31_ADDRESS = 0x44;

uint8_t crc8(const uint8_t *data, size_t len) {
  uint8_t crc = 0xFF;
  for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
    crc ^= data[i];
    for (uint8_t bit = 0; bit < 8; ++bit)
      crc = (crc & 0x80) ? (crc << 1) ^ 0x31 : (crc << 1);
  }
  return crc;
}

bool readSHT31(float &t, float &rh) {
  Wire.beginTransmission(SHT31_ADDRESS);
  Wire.write(0x24);
  Wire.write(0x00);
  if (Wire.endTransmission() != 0) return false;

  delay(15);
  if (Wire.requestFrom(SHT31_ADDRESS, (uint8_t)6) != 6) return false;
  uint8_t data[6];
  for (uint8_t &byte : data) byte = Wire.read();
  if (crc8(data, 2) != data[2] || crc8(data + 3, 2) != data[5]) return false;

  const uint16_t rawT = (uint16_t(data[0]) << 8) | data[1];
  const uint16_t rawRH = (uint16_t(data[3]) << 8) | data[4];
  t = -45.0f + 175.0f * rawT / 65535.0f;
  rh = 100.0f * rawRH / 65535.0f;
  return true;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
}

void loop() {
  float temperature, humidity;
  if (readSHT31(temperature, humidity))
    Serial.printf("T: %.2f C | RH: %.2f %%\n", temperature, humidity);
  else
    Serial.println("I2C or CRC error");
  delay(2000);
}

Heater، نصب مکانیکی و خطاهای واقعی اندازه‌گیری

گرم‌کن داخلی برای بررسی و مدیریت شرایط خاص مانند میعان طراحی شده است؛ روشن بودن آن دمای خود سنسور را افزایش می‌دهد و در همان زمان، عدد دمای محیط و رطوبت معتبر نیست. Heater را دائماً روشن نگذارید و آن را جایگزین طراحی مکانیکی درست نکنید.

• سنسور را از رگولاتور، پردازنده، نمایشگر و مسیرهای پرجریان دور کنید.
• جریان هوای محیط باید به سنسور برسد؛ قرار دادن آن در محفظه بسته، پاسخ را کند می‌کند.
• بخار مواد شیمیایی، چسب، حلال و سیلیکون می‌تواند روی عنصر رطوبت اثر بگذارد.
• در کاربرد بیرونی از فیلتر مناسب و محافظ در برابر قطره مستقیم آب استفاده کنید.
• برای کابل بلند، سرعت I2C را کاهش دهید یا از قرار دادن I2C خام روی کابل بلند خودداری کنید.

خطاهای رایج و عیب‌یابی

مقایسه SHT31 با DHT22، BME280 و DS18B20

پرسش‌های متداول

منابع و ادامه مسیر

• دیتاشیت رسمی خانواده SHT3x-DIS از Sensirion
• صفحه رسمی محصول SHT31-DIS-B
• آموزش سنسور دمای DS18B20 با Arduino و ESP32
• مقاله‌های سنسورهای دما و رطوبت
• مرکز آموزش سنسورها

اعداد فنی این مقاله با Datasheet SHT3x-DIS نسخه 7، دسامبر 2022 تطبیق داده شده‌اند. مشخصات ماژول آماده ممکن است با تراشه خام تفاوت داشته باشد.