Konfigurierbarkeit des Feuchtigkeitssensor HTU21D

Wenn man im Internet sucht, finden sich viele Beispiele zur Programmierung einiger Sensoren, die ich ebenfalls selbst verwende. Die meisten Codeschnipsel funktionieren auch auf dem Wemos. Dennoch muss noch etwas herum probiert werden, um bestimmte Schwierigkeiten anzugehen, damit auch das erwartete Ergebnis kommt.

HTU21D, HTU21, SHT21

Wird ein Sensor gelesen bekommt man nach diesem Vorgang einen Rohwert, der dann in einen für uns bekannten und lesbaren Wert umgerechnet wird. Wir können dies ohne weiteres nach Datenblatt tun oder einen fertigen Beispiel Code verwenden.

Ich wollte meinen Programmcode mit anderen Beispielen Vergleichen, auf Grund einer Konfigurierbarkeit des Sensors. Leider war dazu auf Anhieb nichts zu finden, womit ein Grund bestand sich damit selbst auseinander zu setzten.

In diesem Fall ist es der Feuchtigkeit Sensor HTU21D und ist auch unter HTU21 oder SHT21 zu finden (Nicht ganz sicher, ob alle dieselben sind). Abgesehen Technischer Unterschiede, können alle drei mit dem gleichen Programmcode angesteuert werden. Vor ein paar Jahren hatte ich bereits ein Beispiel Code mit C# und .NET Micro Framework geschrieben, in dem ich damals keine Implementierung der Einstellmöglichkeiten vornahm.

Für den Sensor sind drei Register verfügbar, mit denen die Einstellungen abgefragt, festgelegt oder zurückgesetzt werden können.

• Write user register 0xE6
• Read user register 0xE7
• Soft Reset 0xFE

Grundeinstellung

Wird der Sensor nur gestartet und gelesen, dann bestehen die Grundeinstellungen. Diese sollten im Normalfall reichen. Bei Speziellen Anwendungen könnten dieses Lesevorgänge zu lange dauern. Mit dem Kompromiss der Genauigkeit, kann der Lesevorgang für die Feuchtigkeit von 18ms auf 3ms gesengt werden. Anstatt der 12bit, werden jedoch nur 8bit verwendet.

Genauigkeit	Zeit
12bit	18ms
11bit	9ms
10bit	5ms
8bit	3ms

Abruf und Zuweisen der Einstellung

Im Grunde ist dies so simpel wie der Abruf der Sensor Daten. Für die Einstellwerte ist jedoch etwas umdenken erforderlich, da diese in einem Byte verpackt sind. Ein Byte besteht aus 8Bit und verfügt damit so acht Schalter für bestimmte Einstellungen. Zum Nachvollziehen habe ich aus dem Datenblatt die Tabelle mit den zugehörigen Bit Schaltern abgebildet.

Einstellen und Auswerten

Mit dem 'Read user register' 0xE7 kann die aktuelle Einstellung abgerufen werden. Das kann hilfreich sein, um die geschrieben Einstellungen gegen zu prüfen.

 void Htu21ReadUserRegister() {  
  Wire.beginTransmission(HTU21D_ADDRESS);  
  Wire.write(command);              
  Wire.endTransmission();  
  Wire.requestFrom(HTU21D_ADDRESS, 1);   
  while(Wire.available() < 1) { }  
  byte regCon = Wire.read();  
  Serial.print("\tRegister Result: ");   
  Serial.println(regCon, BIN);         
 }  

Das folgende Beispiel beschreibt die Einstellung 'RH 11Bit / Temp 11Bit', 'On-Chip Header' aus und 'Disable OTP Reload' aus.

 void Htu21WriteRegisterSetting() {  
  byte command = 0xC0;  // RH 11bit / 11Bit Temp  
  command |= 0x01;     // disable otp reload  
  Wire.beginTransmission(HTU21D_ADDRESS);  
  Wire.write(0xE6);       // command for write register command  
  Wire.write(command);  // write the finish command  
  Wire.endTransmission();  
 }  

War das Schreiben der Einstellung erfolgreich, sollte mit der Methode 'Htu21ReadUserRegister()' das Binäre Ergebnis '1100 0001' ausgegeben werden.

Beispiel Projekt Wetterstation

Auf dem Github Repository stelle ich diesmal das kleine Projekt zur Verfügung, in dem ich bereits den HTU21 und den BMP180 Sensor verwende. Dort sind einige Methoden etwas weiter ausgeführt und zum Teil Kommentiert. Soweit ich immer Zeit habe, erweitere ich das Projekt mit Möglichst überschaubaren Funktionen.

Github - WeatherStation

Feuchtigkeitssensor HTU21D mit dem Netduino (Teil 2)

Damit die gemessenen Werte auch brauchbare Messeinheiten haben, müssen die Rohdaten zunächst umgerechnet werden. Daher kommen zwei weitere Methoden hinzu, die dies erledigen. Der Inhalt zum Lesen des einzelnen Wertes erhält eine eigene Methode, weil dieser Inhalt zweimal verwendet wird und sich nur im einzelnen zusendenden Byte unterscheidet.

// Luftfeuchtigkeit Messen und Rohwert zurückgeben public int Read() {     // Inhalt in eigene Methode umgezogen } // Liest mit der Übergabe des Befehls den Sensor Teil aus. private int ReadSensorPart(byte command) {     // Befehl senden.     if (this.Write(new byte[] { command }) == 0)     {         throw new SystemException("Fehler beim Senden!");     }     // Warten bis der Sensor mit dem Lesevorgang fertig ist.     Thread.Sleep(50);     byte[] data = new byte[3];     // Messergebnis abrufen     if (this.Read(data) == data.Length)     {         // Es werden für dieses Beispiel zwei Bytes verwendet         int raw = (data[0] << 8) | data[1];         raw &= 0xFFFC;         return raw;     }     Debug.Print("Sensor konnte nicht gelesen werden!");     return 0; }

Damit wir die Daten zusammengefasst aus der Methode “Read” erhalten, wird das Ergebnis in einem Daten Objekt zusammengefasst. Daszu wird eine neue Klasse angelegt.

// Das Sensor Daten Objekt stellt die gemessenen Werte zur Verfügung. public class SensorData {     // Ruft die gemessene Luftfeuchtigkeit ab.     public float Humidity { get; private set; }     // Ruft die gemessene Temperatur ab.     public float Temperature { get; private set; }    // Initialsiert das Daten Objekt mit den Rohwert Messungen     // und rechnet diese auf bekannte Maßeinheiten.     public SensorData(int rawHumidity, int rawTemperature)     {         // Umrechnung aus den Rohdaten     }     // Überschriebene Methode für die Ausgabe der Berechneten Inhalte.     public override string ToString()     {         return "Luftfeuchtigkeit: " + this.Humidity.ToString() +                 "% - Temperatur: " +     this.Temperature.ToString() + "°C";     } }

Im Datenblatt sind die Formel zu entnehmen für die Feuchtigkeit und Temperatur, die mit relativ wenig aufwand in einem Programmcode abgebildet werden können.

Feuchtigkeitswert = –6 + (125 * (Rohwert / 65536))

Formel für die Temperatur aus dem Rohwert berechnen.

Temperaturwert = –46,85 + (175,72 * (Rohwert / 65536))

Grundsätzlich benötigt die Umrechnung drei Werte. Das Summieren und Multiplizieren ist bei beiden Umrechnung die selbe. Diese Aufstellung lässt sich in eine Methode zusammenfassen und in die Klasse SensorData hinzufügen.

// Rechnet aus dem Rohwert das Zielergebnis um. public float GetCalculateValueByRange(int raw, float start, float range) {     // Gemessenen Rohwert durch den Maximalen Ausgabewert.    float f = raw / 65536f;     // Messumfang multiplizieren und an den Startwert verschieben.    return start + (range * f); }

Nun kann die eigentliche Umrechnung im Konstruktor erfolgen.

... // Initialsiert das Daten Objekt mit den Rohwert Messungen // und rechnet diese auf bekannte Maßeinheiten. public SensorData(int rawHumidity, int rawTemperature) {     // Berechnen der Luftfeuchtigkeit.    this.Humidity = GetCalculateValueByRange(rawHumidity, -6f, 125f);     // Berechnen der Temperatur.     this.Temperature = GetCalculateValueByRange(rawTemperature, -46.85f, 175.72f); } ...

Damit wäre das Daten Objekt mit der Umrechnung fertig. Jetzt muss in der Hauptklasse HTU21D der Lesevorgang vervollständigt werden.

... // Luftfeuchtigkeit Messen und Rohwert zurückgeben public SensorData Read() {    // Rohwert abholen für Luftfeuchtigkeit     int rawHumidity = ReadSensorPart(0xf5);     // Rohwert abholen für Temperatur     int rawTemperature = ReadSensorPart(0xf3);    // Neues Datenobjekt erzeugen und die Rohdaten übergeben.     return new SensorData(rawHumidity, rawTemperature); } ...

In der Program.cs beleibt noch eine kleine Anpassung und dann ist der Teil fertig.

public class Program {     public static void Main()     {         // Klasse Initialisieren und Verbindung herstellen.         HTU21D sensor = new HTU21D();         while (true)         {             // Sensoren lesen             SensorData sd = sensor.Read();            // Ergebnis ausgeben.             Debug.Print(sd.ToString());         }     } }

Vielleicht ist dem einen oder anderen aufgefallen, dass drei Bytes gelesen werden, aber nur zwei Bytes verwendet werden. Das Dritte beinhaltet den CRC Wert, mit dem sich prüfen lässt, ob das Ergebnis Valide ist. Darauf gehe ich dann im nächsten Post ein.

• Beispiel Programm zum Herunterladen
• Datenblatt

Feuchtigkeitssensor HTU21D mit dem Netduino (Teil 1)

Zuvor habe ich für meinem Weather Shield einen Feuchtigkeitssensor DHT11 verwendet. Wer diesen kennt, weiss sicherlich wie ungenau die Messwerte sind. Ich möchte den Sensor nicht schlecht reden, denn immerhin ist er sehr günstig. Möchte man allerdings für eine Anwendung mehr Genauigkeit und eine schnelle Abtastung der aktuellen Feuchtigkeit und Temperatur, bieten andere Sensoren deutlich bessere Ergebnisse.

Ein paar interessante Daten zum Sensor:

• Schnittstelle I²C
• Betriebsspannung: 3,3V (max. 3,6V)
• Stromaufnahme: ca. 10mA
• Temperaturmessung ca. 50ms bei 14Bit (7ms bei 11Bit) (-40°C bis 125°C)
• Feuchtigkeitmessung ca. 16ms bei 12bit (3ms bei 8Bit)
• Kostet ab 6,50€ bei Ebay über einem chinesischen Händler

Weitere Daten findet ihr im Datenblatt.

Ansprechen lässt sich der Sensor über den I²C Bus und kann mit dem .NET Micro Framework mit geringen Aufwand programmiert werden. Das Einstiegsverhalten lässt sich mit dem Luftdruck Sensors BMP085 vergleichen, über den ich bereits geschrieben habe.

Erstellen wir eine neue Klasse mit dem Namen des Sensors, um zunächst die Verbindung herzustellen und die Rohdaten zu erhalten.

public class HTU21D : I2CDevice {     // Konstruktor mit vererbten Konstruktor aus der I2CDevice Klasse     // 0x40 = Adresse des Sensors     //  100 = Takt in kHz     public HTU21D()         : base(new Configuration(0x40, 100))     {     }     // Luftfeuchtigkeit Messen und Rohwert zurückgeben     public int Read()     {         // Befehl senden.         if (this.Write(new byte[] { 0xf5 }) == 0)         {             throw new SystemException("Fehler beim Senden!");         }         // Warten bis der Sensor mit dem Lesevorgang fertig ist.         Thread.Sleep(50);         byte[] data = new byte[3];        // Messergebnis abrufen         if (this.Read(data) == data.Length)         {            // Es werden für dieses Beispiel zwei Bytes verwendet             int raw = (data[0] << 8) | data[1];             raw &= 0xFFFC;             return raw;         }         Debug.Print("Sensor konnte nicht gelesen werden!");         return 0;     }     // Sendet den Inhalt des Byte Arrays     private int Write(byte[] buffer)     {         I2CTransaction[] trans = new I2CTransaction[]         {             CreateWriteTransaction(buffer)         };         return Execute(trans, 1000);     }     // Liest den zu empfangene Byte Array     private int Read(byte[] buffer)     {        I2CTransaction[] trans = new I2CTransaction[]         {             CreateReadTransaction(buffer)         };         return Execute(trans, 1000);     } }

Die Rohdaten können nun über die Program.cs Klasse aufgerufen und über die Ausgabe in Visual Studio ausgegeben werden.

public class Program {     public static void Main()     {         HTU21D sensor = new HTU21D();         while (true)         {             Debug.Print("Humidity RAW Value: " + sensor.Read().ToString());             Thread.Sleep(1000);         }     } }

Im nächsten Schritt wird das Modul mit dem Feuchtigkeitsensor mit dem Netduino verbunden. Je nach Ausführung des Sensor, werden eventuell zwei Widerstände mit 2,2kOhm benötigt. In der Variante die ich erhalten habe, sind diese aufgelötet, aber mit der 3,3V Zuleitung nicht verbunden. Das Modul habe ich zunächst so belassen und habe für den Testlauf zwei Pull Up Widerstände hinzu gesteckt.

Ansonsten hält sich die Schaltung mit den Netduino und dem Feuchtigkeitssensor sehr Übersichtlich.

Wie bereits aus den Technischen Grunddaten hervorgeht, gibt es auch einen Temperatursensor zum Messen. Dafür muss nur in der Methode “Read()”, das zu sendende Byte von 0xf5 auf 0xf3 umgeschrieben werden. Damit erhält man den Rohwert der gemessenen Temperatur.

• Beispiel Programm zum herunterladen
• Datenblatt HTU21D