2026 Make Blocks #2阶段2 - SHT30温度/环境传感器采集模块

内容介绍

一、项目任务与模块介绍

1.1 所选任务

本项目选择的任务是SHT30温度/环境传感器采集模块的设计与验证。目标是设计一块基于SHT30芯片的小型传感器采集板，通过标准I2C接口与主控MCU通信，为嵌入式系统提供高精度的温度和相对湿度数据。除了基本的温湿度读取功能外，项目还要求验证该传感器芯片的INT（Alert报警）引脚功能——通过设定温湿度阈值，当环境参数越限时由硬件自动触发中断信号，这也是本模块设计区别于市面上普通温湿度模块的特色之一。

1.2 硬件与功能简介

1.2.1 任务目标模块：SHT30温度/环境传感器采集模块

SHT30-DIS是Sensirion出品的一款数字温湿度传感器芯片，采用DFN-8封装，模块主要特性如下（参考原理图标注）：

工作电压：2.15V ~ 5.5V，完美兼容3.3V和5V控制系统
工作电流：<1.5mA，适合低功耗应用
测量精度：温度精度±0.2°C，湿度精度±2%RH（注：此处按原理图高配指标标注）
测量范围：温度 -40 to 125°C，湿度 0-100%RH
通信接口：标准I2C，Breakout 2.54mm-6Pin排针引出
INT引脚：即数据手册中的Alert报警引脚，可编程温湿度上下限阈值，支持硬件中断
外形尺寸：19mm × 16mm，小巧紧凑，带2mm安装孔

本模块将I2C信号（SDA、SCL）、INT报警引脚、RST复位引脚以及电源通过6Pin排针引出，方便与Arduino等主控板通过杜邦线连接测试。

1.2.2 主控：Arduino UNO开发板 + 接口扩展板

主控：ATmega328
接口：2.54mm排针

二、设计思路与选型

2.1 设计框图

整个系统的工作框架如下：

┌─────────────────┐         杜邦线      ┌──────────────────────┐
│   Arduino Uno   │     SDA / SCL       │  SHT30 Sensor Module │
│   开发板        │◄───────────────────►│                      │
│                 │     INT(Alert)      │  SHT30-DIS           │
│  (Arduino IDE)  │◄────────────────────│  + 镂空隔热PCB设计    │
│                 │   RST / VCC / GND   │  + I2C与地址配置电阻  │
└─────────────────┘                     └──────────────────────┘
       │
       │ USB串口
       ▼
   PC 串口调试助手（查看测试结果）

2.2 选型说明

主控芯片选用Arduino Uno开发板，原因是其硬件I2C接口成熟稳定、Arduino框架便于快速开发，且D2引脚支持外部中断，正好用于接收INT（Alert）信号。

传感器芯片选用Sensirion SHT30-DIS。选型过程中曾对比了多款传感器，最终选择SHT30的原因如下：

型号	精度（温/湿）	接口	Alert/INT功能	封装尺寸	单价参考
DHT11	±2°C / ±5%RH	单总线	✗ 无	插件封装	低
AHT20	±0.3°C / ±2%RH	I2C	✗ 无	4×5mm	低
SHT30-DIS	±0.2°C / ±2%RH	I2C	✓ 有	2.5×2.5mm	中
SHT40	±0.2°C / ±1.8%RH	I2C	✗ 无	1.5×1.5mm	中

DHT11精度较低且无I2C，AHT20和SHT40缺少硬件报警引脚。综合考虑精度、功能完整性，SHT30-DIS是满足本项目所有需求的最佳选择。

这里有一个重要的调试经验：SHT30的INT(Alert)功能仅在周期测量模式下工作，单次触发模式下传感器不会进行阈值比较。我在最初调试时使用单次读取函数，INT引脚毫无反应。查阅数据手册后才发现这一限制，切换为周期测量模式后，中断功能立即正常工作。

被动元件方面，根据原理图设计，I2C总线的SCL和SDA线各串接一颗10kΩ上拉电阻（R1、R2）至VDD。地址线ADDR通过R3（1MΩ）弱上拉至VDD（默认地址0x45），并预留了JP1跳线以供短接至GND（地址0x44）。电源和复位引脚分别配置了C2、C1（均为100nF）滤波电容。

三、原理图与PCB设计

3.1 原理图

原理图设计规范严谨，核心为SHT30芯片（U1），通过6Pin排针座（H1）引出。电路要点如下：

引脚分配：H1排针依次为VDD、GND、SCL、SDA、INT、RST
I2C与上拉：R1(10kΩ)、R2(10kΩ)保障了SCL/SDA的I2C总线稳定性
硬件地址配置：巧妙利用R3(1MΩ)上拉和JP1短接点的配合。不焊JP1时地址为0x45，短接JP1时地址为0x44，灵活性极高
退耦与滤波：VDD网络通过C2(100nF)退耦，RST硬件复位引脚通过C1(100nF)滤波防误触发

3.2 PCB设计

PCB设计图

3D效果

PCB采用双层板设计，尺寸为极凑的19mm×16mm。本设计的最大亮点在于优秀的热力学设计：

U型镂空隔热槽：这是本板最专业的细节。PCB中央放置DFN8封装的SHT30芯片，四周切割了贯穿板厚的镂空槽。这能最大程度切断排针（外部热源）和PCB覆铜传导过来的热量，保证传感器测量的是纯粹的空气环境温度，极大提高了响应速度和准确性。
清晰的丝印标注：正面印有"SHT30 Digital Temperature Humidity V2.0"，排针处清晰标注了GND、SCL、SDA、INT、RST，且GND丝印做了高亮反白处理，防呆设计出色。
布局合理：阻容元件（C1/C2, R1/R2/R3）均匀分布在镂空槽外侧，不干扰中心传感器的气流交换。右侧预留了标准的2mm安装孔（间距15mm），方便结构固定。

四、调试软件与关键代码

4.1 开发环境

软件开发使用Arduino IDE 2.3.5，选择Arduino Uno作为目标板，通过USB串口进行程序烧录和调试输出。主要使用了以下库：

Wire.h：硬件I2C驱动
ClosedCube_SHT31D.h：支持SHT3x系列的第三方库，封装了周期测量、Alert阈值读写等功能。

在使用该库时，我发现其源码存在一个Bug：readTemperatureAndHumidity()内部的error变量未初始化即参与判断，导致AVR平台上频发16358错误码。通过修改库文件ClosedCube_SHT31D.cpp，将SHT31D_ErrorCode error;修正为SHT31D_ErrorCode error = SHT3XD_NO_ERROR;后，通信恢复绝对稳定。

4.2 关键代码片段

测试程序采用模块化设计，在setup()中必须严格遵循先初始化I2C、再配置中断的顺序，否则会导致总线死锁：

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    while (!Serial);

    // 0. RST硬件复位引脚处理 (设为高电平使其正常工作)
    pinMode(PIN_RST, OUTPUT);
    digitalWrite(PIN_RST, HIGH);

    // 1. 先初始化I2C
    Wire.begin();
    sht30.begin(0x45);  // 对应原理图R3上拉的默认地址
    delay(50);

    // 2. 软复位 + 清除状态
    sht30.softReset();
    delay(100);
    sht30.clearAll();

    // 3. 配置INT(Alert)引脚中断
    pinMode(PIN_INT, INPUT);  // 推挽输出，无需外部上拉
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_INT), onAlertISR, RISING);

    // 4. 写入报警阈值
    sht30.writeAlertHigh(31.0, 29.0, 80.0, 78.0);
    sht30.writeAlertLow(22.0, 20.0, 22.0, 20.0);

    // 5. 启动周期测量模式（INT引脚仅在此模式下生效）
    sht30.periodicStart(SHT3XD_REPEATABILITY_HIGH, SHT3XD_FREQUENCY_1HZ);
}

INT硬件中断处理是本项目的核心。当环境参数越过阈值时，SHT30硬件将INT引脚拉高，触发MCU的RISING中断：

volatile bool alertTriggered = false;

void onAlertISR() {
    alertTriggered = true;  // 仅置标志位，不在ISR中执行耗时操作
}

void loop() {
    SHT31D data = sht30.periodicFetchData(); // 获取1Hz周期数据

    if (alertTriggered) {
        alertTriggered = false;
        Serial.println("!! HARDWARE INT TRIGGERED !!");

        // 读取状态寄存器确认是温度还是湿度报警
        SHT31D_RegisterStatus status = sht30.readStatusRegister();
        Serial.print("  T_Alert : ");
        Serial.println(status.T_TrackingAlert ? "YES" : "NO");
    }
    delay(1000);
}

这里需要注意，数据手册中明确指示Alert引脚在条件满足时拉高（switches high），因此必须配置为RISING边缘触发，且无需软件开启上拉电阻。

五、功能展示

5.1 实物与测试环境

实物PCB

模块与主控连接

测试硬件环境搭建如下：

Arduino Uno开发板：作为I2C主机，通过A4(SDA)、A5(SCL)、D2(INT)连接模块
杜邦线：6根杜邦线连接模块，VDD接3.3V/5V，GND接GND，INT接D2
热源模拟：使用手指触摸模块中心隔离区的传感器本体，模拟温度快速上升触发报警

5.2 串口测试输出

通过串口调试助手可以看到完整的测试过程验证：

初始化阶段：读取芯片ID正常，阈值设置成功。高限Set=31.0°C，Clear=29.0°C。
常规监测：
[ 10s] T=26.50C RH=55.20% | INT=LOW
[ 11s] T=26.52C RH=55.25% | INT=LOW
硬件报警触发：（用手捂住传感器后）
[ 15s] T=31.10C RH=68.50% | INT=HIGH
!! HARDWARE INT TRIGGERED !!
T_Alert : YES
报警解除：（松开手，温度降至Clear阈值29.0°C以下）
INT引脚自动恢复为LOW电平，体现了硬件滞回特性的稳定消抖。

软件截图1：初始化日志

软件截图2：温度告警日志

六、心得体会

收获

本次项目虽然只是一个温湿度模块的设计，但在软硬件结合的完整闭环中，我收获了极其宝贵的实战经验。

第一，PCB热力学设计的重要性。 在画板阶段，为传感器四周添加U型镂空槽是极其明智的选择。空气本身是热的不良导体，镂空设计直接切断了排针焊接时和工作时主板带来的热传导，确保了SHT30反映的是真实的环境温度。这种在细节处见真章的硬件设计规范，比单纯连通线路更有价值。

第二，仔细研读Datasheet能少走很多弯路。 SHT30的INT(Alert)功能仅在"周期测量模式"下工作的限制，以及INT引脚"高电平触发"的极性，都是写在手册角落里的关键信息。我最初想当然地用单次读取+下降沿触发去调试，浪费了一些时间。

第三，培养了排查开源库Bug的能力。 遇到AVR平台上周期性报16358错误时，通过单步追溯ClosedCube_SHT31D源码，定位到了未初始化变量的低级错误并予以修复。这让我不再盲目迷信第三方库，提升了底层代码的排错自信。

建议

对于后续参与类似传感器采集板项目的同学，我有以下建议：

强烈建议保留热隔离槽设计。对于任何接触式或高精度的环境传感器（如温度、气体传感器），PCB上的覆铜和热传导是最大的误差源。
初始化顺序要严谨。在Arduino开发中，Wire.begin()必须放在涉及I2C总线的中断配置（如attachInterrupt()）之前，否则极易引发I2C总线死锁。
预留硬件地址跳线（如本板的JP1），这在一个总线上需要挂载多个相同传感器的应用场景下非常实用，极大提高了模块的通用性。

总体而言，这次项目让我完整体验了一个传感器模块从原理图、热力学PCBLayout到深层软件除错的全过程。最后再次感谢Digikey和硬禾科技联合举办的2026 Make Blocks 第二季活动，祝硬禾的活动越办越好！