Arduino I2C + 温湿度传感器AM2321

（2015.5.17：本日志的内容有所更新，参见《使用Arduino Wire Library读取温湿度传感器AM2321》。）

AM2321是广州奥松电子生产的数字式温湿度传感器。虽是国产品牌，其精度也可以与国外的主流温湿度传感IC媲美。

尺寸：11.3x7.8x4mm（长x宽x高）
封装：0.05 pitch PTH
工作电压：2.6~5V
功耗：测量时0.5mA，休眠状态10μA
接口：I2C，最大速率100kbps；或单总线通讯
分辨率：温度0.1°C，相对湿度0.1%RH
精度：出厂前已校正，室温时温度误差+/-0.3°C，相对湿度误差+/-3%RH（皆典型值）
重复性：温度+/-0.2°C，相对湿度+/-0.1%RH

美中不足：与国外同精度产品相比，AM2321的重复性和漂移指标偏大；功耗偏高；只能手动焊接，给产品量产带来不便。

电路连接

AM2321支持5V工作，将电源、地、SCL、SDA四个管脚直接与UNO板子的对应管脚相连。对于Arduino UNO，I2C总线的SDA信号线对应A4管脚，SCL时钟线对应A5管脚。之后，SCL、SDA线需要通过上拉电阻连接到5V电源，电阻值可取4.7k或10k。

功能调试

第一次调试花了不少时间，最终借助示波器才搞定。需留意的几个问题：

1. I2C地址问题。虽然手册里写的地址是0xB8（0b10111000），但实际上器件是采用的7位地址，应该表述成0x5C（0b1011100），代码中的地址也应写成0x5C，否则无法通信。

2. 唤醒AM2321时的时序问题。器件不回ACK，且最后一个时钟下降沿到发stop信号需间隔0.8~3ms。这个时序条件在Arduino的Wire库中没有处理的函数，因此只能将A4、A5设置成GPIO，利用bit-banging实现。shiftOut()函数可以实现字节的串行输出，且速率刚好也是100kbps左右。[注：后面发现即使没有这个等待时间，传感器也能正常工作，诡异。]

3. A4、A5管脚在GPIO和硬件I2C之间的功能切换问题。在调用Wire.begin()函数之后，再使用pinMode()或digitalWrite()函数就无效了。发现在Wire.begin()函数中设置了I2C的控制寄存器TWCR，需将TWCR恢复到调用Wire.begin()前的状态，才可以用GPIO的方式操作A4、A5。

4. 读返回数据时的时序问题。手册要求发送地址后，需要等待至少30μs后才能读取数据。这个功能在Wire库里也不支持，但直接用库里的函数（间隔约10μs）读取，没有发现有通信错误的问题。

5. 传感器发送数据之后，会触发下一次温湿度测量，测量结果供下次数据读取。因此连续读取两次才能获得当前的温湿度值，即：第一次读取的是上一次测量的值，第二次读取的才是当前测量值。两次读取的最小间隔为2秒。

测试代码

  1 /*
  2 Measurement of temperature and humidity using the AM2321 sensor
  3 Attention: 
  4     The protocol AM2321 used is not a standard i2c.
  5     Bit-banging is used to wake up the sensor, 
  6     and then i2c functions are used to communicate.
  7 Connection:
  8 AM2321           UNO
  9 VDD <--------->  5V
 10 GND <--------->  GND
 11 SCL <---------> SCL(A5)
 12 SDA <---------> SDA(A4)
 13 */
 14 
 15 #include <Wire.h>
 16 
 17 #define ADDRESS_AM2321 0x5C //not 0xB8
 18 #define SIGN_WRITE 0x00
 19 #define SDA_PIN A4
 20 #define SCL_PIN A5
 21 
 22 byte fuctionCode = 0;
 23 byte dataLength = 0;
 24 byte humiHigh = 0;
 25 byte humiLow = 0;
 26 byte tempHigh = 0;
 27 byte tempLow = 0;
 28 byte crcHigh = 0;
 29 byte crcLow = 0;
 30 
 31 int humidity = 0;
 32 int temperature = 0;
 33 unsigned int crcCode = 0;
 34 
 35 byte backupTWCR = 0;
 36 
 37 void setup()
 38 {
 39     Serial.begin(115200);
 40 }
 41 
 42 void loop()
 43 {
 44     //step 1. wake up the sensor
 45     SendWakeUp(); 
 46     backupTWCR = TWCR;
 47 
 48     //step 2. send command 
 49     Wire.begin();
 50     Wire.beginTransmission(ADDRESS_AM2321);
 51     Wire.write(0x03);
 52     Wire.write(0x00);
 53     Wire.write(0x04);
 54     Wire.endTransmission();
 55 
 56     delayMicroseconds(1500);
 57 
 58     //step 3. read data, and recover the TWCR register
 59     Wire.requestFrom(ADDRESS_AM2321, 8);
 60     fuctionCode = Wire.read();
 61     dataLength = Wire.read();
 62     humiHigh = Wire.read();
 63     humiLow = Wire.read();
 64     tempHigh = Wire.read();
 65     tempLow = Wire.read();
 66     crcLow = Wire.read();
 67     crcHigh = Wire.read();
 68 
 69     //get the result
 70     humidity = (humiHigh<<8) | humiLow;
 71     temperature = (tempHigh<<8) | tempLow;
 72     crcCode = (crcHigh<<8) | crcLow;
 73 
 74     Serial.print(temperature/10.0, 1);    Serial.println(" `C");
 75     Serial.print(humidity/10.0, 1);    Serial.println(" \%RH");
 76     CheckCRC();
 77 
 78     //recover the TWCR register, e.g. disable the I2C bus
 79     TWCR = backupTWCR; 
 80 
 81     delay(4000);
 82 }
 83 
 84 void SendWakeUp()
 85 {
 86     //set pinmode
 87     pinMode(SCL_PIN, OUTPUT);
 88     pinMode(SDA_PIN, OUTPUT);
 89     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
 90     digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);
 91 
 92     //issue a START condition
 93     delayMicroseconds(5);
 94     digitalWrite(SDA_PIN, LOW); 
 95     delayMicroseconds(5);
 96     digitalWrite(SCL_PIN, LOW); 
 97     delayMicroseconds(5);
 98 
 99     //send ADDRESS+W
100     shiftOut(SDA_PIN, SCL_PIN, MSBFIRST, ((ADDRESS_AM2321<<1) | SIGN_WRITE));
101 
102     //send clock for ack
103     pinMode(SDA_PIN, INPUT_PULLUP);// or INPUT mode
104     delayMicroseconds(5);
105     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
106     delayMicroseconds(5);
107     digitalWrite(SCL_PIN, LOW);
108     pinMode(SDA_PIN, OUTPUT);
109     digitalWrite(SDA_PIN, LOW);
110     
111     delayMicroseconds(1000);
112 
113     //issue a STOP condition
114     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
115     delayMicroseconds(5);
116     digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);
117 }
118 
119 void CheckCRC() //from the datesheet
120 {
121     byte backValues[] = {fuctionCode, dataLength, humiHigh, 
122         humiLow, tempHigh, tempLow};
123     unsigned int crc = 0xFFFF;
124     int i;
125     int len = 6;
126     int j = 0;
127     while (len--)
128     {
129         crc ^= backValues[j];
130         j++;
131         for (i=0; i<8; i++)
132         {
133             if (crc & 0x01)
134             {
135                 crc >>= 1;
136                 crc ^= 0xA001;
137             }
138             else
139             {
140                 crc >>= 1;
141             }
142         }
143     } 
144     if (crc == crcCode)
145     {
146         Serial.println("CRC checked.");
147     }
148     else
149     {
150         Serial.println("CRC Error!");
151     }
152 }

View Code

[注] 后面发现，第一步唤醒时即使直接用Wire库中的beginTransmission()和endTransmission()函数即可，即使没有手册中要求的0.8~3ms等待时间，传感器也能正常运行。从示波器上看，传感器不回ACK，硬件I2C等待的时间仅10us左右，却不影响工作。看来手册的描述有问题。使用Wire Library标准库来读取AM2321，可以参照另一篇日志。

参考资料

奥松官网信息 - AM2321数字温湿度传感器
 TI - Troubleshooting I2C Bus Protocol 关于I2C调试问题处理的文档，推荐
拆解国产奥松微小型湿度传感器AM2321
wangdong/AM2321 - GitHub