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（0b1011），但实际上器件是采用的7位地址，应该表述成0x5C（0b），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

 /*
 Measurement of temperature and humidity using the AM2321 sensor
 Attention:
     The protocol AM2321 used is not a standard i2c.
     Bit-banging is used to wake up the sensor,
     and then i2c functions are used to communicate.
 Connection:
 AM2321           UNO
 VDD <--------->  5V
 GND <--------->  GND
 SCL <---------> SCL(A5)
 SDA <---------> SDA(A4)
 */

 #include <Wire.h>

 #define ADDRESS_AM2321 0x5C //not 0xB8
 #define SIGN_WRITE 0x00
 #define SDA_PIN A4
 #define SCL_PIN A5

 byte fuctionCode = ;
 byte dataLength = ;
 byte humiHigh = ;
 byte humiLow = ;
 byte tempHigh = ;
 byte tempLow = ;
 byte crcHigh = ;
 byte crcLow = ;

 int humidity = ;
 int temperature = ;
 unsigned int crcCode = ;

 byte backupTWCR = ;

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

 void loop()
 {
     //step 1. wake up the sensor
     SendWakeUp();
     backupTWCR = TWCR;

     //step 2. send command
     Wire.begin();
     Wire.beginTransmission(ADDRESS_AM2321);
     Wire.write(0x03);
     Wire.write(0x00);
     Wire.write(0x04);
     Wire.endTransmission();

     delayMicroseconds();

     //step 3. read data, and recover the TWCR register
     Wire.requestFrom(ADDRESS_AM2321, );
     fuctionCode = Wire.read();
     dataLength = Wire.read();
     humiHigh = Wire.read();
     humiLow = Wire.read();
     tempHigh = Wire.read();
     tempLow = Wire.read();
     crcLow = Wire.read();
     crcHigh = Wire.read();

     //get the result
     humidity = (humiHigh<<) | humiLow;
     temperature = (tempHigh<<) | tempLow;
     crcCode = (crcHigh<<) | crcLow;

     Serial.print(temperature/10.0, );    Serial.println(" `C");
     Serial.print(humidity/10.0, );    Serial.println(" \%RH");
     CheckCRC();

     //recover the TWCR register, e.g. disable the I2C bus
     TWCR = backupTWCR; 

     delay();
 }

 void SendWakeUp()
 {
     //set pinmode
     pinMode(SCL_PIN, OUTPUT);
     pinMode(SDA_PIN, OUTPUT);
     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
     digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);

     //issue a START condition
     delayMicroseconds();
     digitalWrite(SDA_PIN, LOW);
     delayMicroseconds();
     digitalWrite(SCL_PIN, LOW);
     delayMicroseconds();

     //send ADDRESS+W
     shiftOut(SDA_PIN, SCL_PIN, MSBFIRST, ((ADDRESS_AM2321<<) | SIGN_WRITE));

     //send clock for ack
     pinMode(SDA_PIN, INPUT_PULLUP);// or INPUT mode
     delayMicroseconds();
     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
     delayMicroseconds();
     digitalWrite(SCL_PIN, LOW);
     pinMode(SDA_PIN, OUTPUT);
     digitalWrite(SDA_PIN, LOW);

     delayMicroseconds();

     //issue a STOP condition
     digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
     delayMicroseconds();
     digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);
 }

 void CheckCRC() //from the datesheet
 {
     byte backValues[] = {fuctionCode, dataLength, humiHigh, \
         humiLow, tempHigh, tempLow};
     unsigned int crc = 0xFFFF;
     int i;
     int len = ;
     int j = ;
     while (len--)
     {
         crc ^= backValues[j];
         j++;
         for (i=; i<; i++)
         {
             if (crc & 0x01)
             {
                 crc >>= ;
                 crc ^= 0xA001;
             }
             else
             {
                 crc >>= ;
             }
         }
     }
     if (crc == crcCode)
     {
         Serial.println("CRC checked.");
     }
     else
     {
         Serial.println("CRC Error!");
     }
 }

[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