KEIL中编译51程序算法计算异常的疑问

KEIL开发 51 单片机程序 算法处理过程中遇到的问题  ...... by 矜辰所致

前言

因为产品的更新换代，把所有温湿度传感器都换成 SHT40 ，替换以前的 SHT21。在 STM32 系列产品上的替换都正常，但是在一块 51 内核的无线产品上面，数据莫名其妙的总会遇到异常的情况，弯弯绕绕了好一阵子，最后才发现是程序在执行一个不算复杂的算法的时候会出错。

那么本文的目的就是说明这个问题，以及如何解决这个问题，同时也想向大家请教这个问题出现的原因。因为到最后，没有花时间去过多的研究到底是怎么出的问题。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

一、 SHT40 温湿度读取

本来 SHT40 其实特别简单，简单的 I2C 通讯，简单的计算公式，在 SHT40 数据手册上面，只要看一个地方基本就能把 SHT40 用起来了，如下图：

在这里插入图片描述

硬件电路，和算法手册都给出来了，实际上在使用 STM32 的时候确实是真简单就可以正确的读取到数据，代码如下：

/*
SHT40
地址和 SHT30 一样 0x44
*/
Readthstruct SHT40_read_result(u8 addr)
{
        u16 tem,hum;
        u16 buff[6] = {0};
        float Temperature=0;
        float Humidity=0;
        Readthstruct sensordata;
       
        I2C_Start();
        I2C_Send_Byte(addr<<1 | write);//写7位I2C设备地址加0作为写取位,1为读取位
        I2C_Wait_Ack();
        I2C_Send_Byte(0xFD);    //  SHT 40 只需要一个 0xFD
        I2C_Wait_Ack();
        // I2C_Send_Byte(0x06);
        // I2C_Wait_Ack();
        I2C_Stop();
        HAL_Delay(20);
        I2C_Start();
        I2C_Send_Byte(addr<<1 | read);//写7位I2C设备地址加0作为写取位,1为读取位
        if(I2C_Wait_Ack()==0)
        {
                buff[0]=I2C_Read_Byte(1);
                buff[1]=I2C_Read_Byte(1);        
                buff[2]=I2C_Read_Byte(1);        
                buff[3]=I2C_Read_Byte(1);
   
                buff[4]=I2C_Read_Byte(1);

                buff[5]=I2C_Read_Byte(0);

                I2C_Stop();
        }
       
        tem = ((buff[0]<<8) | buff[1]);//温度拼接
        hum = ((buff[3]<<8) | buff[4]);//湿度拼接
       
        /*转换实际温度*/
        Temperature= (175.0*(float)tem/65535.0-45.0) ;// T = -45 + 175 * tem / (2^16-1)
        /*
         *humi = (1.0 * 125 * (readData[3] * 256 + readData[4])) / 65535.0 - 6.0;
         rh_pRH = -6 + 125 * rh_ticks/65535
        */
        Humidity= (125.0*(float)hum/65535.0-6.0); 

        // sprintf(humiture_buff1,"%6.2f*C %6.2f%%",Temperature,Humidity);//111.01*C 100.01%（保留2位小数）
        // printf("温湿度：%s\n",humiture_buff1);
        if((Temperature>=-20)&&(Temperature<=80)&&(Humidity>=0)&&(Humidity<=100))//过滤错误数据
        {
            sensordata.tem_100 = (u16)(Temperature*100);
            sensordata.hum_100 = (u16)(Humidity*100);
        }
        else{
        		//重新通讯读取一遍
        }
        // printf("温度100倍：%d\n湿度100倍：%d\n",sensordata.tem_100,sensordata.hum_100);

        hum=0;
        tem=0;
        if(sensordata.tem_100>4000) sensordata.tem_100=4000;              //A5-04-01 0~40du 
		else if(sensordata.tem_100<0) sensordata.tem_100=0;
		if(sensordata.hum_100>10000) sensordata.hum_100=10000;              //prevent temperature over-/underflow
		else if(sensordata.hum_100<0) sensordata.hum_100=0;

        return sensordata;
}

上面的代码是为了得到温湿度实际数据的100倍的结果，上面时候因为测试，中途需要打印浮点数，所以中途按照浮点数计算了结果，
其实可以在Temperature= (175.0*(float)tem/65535.0-45.0) 这地方直接得到 100 倍的数值，
而且还可以省去浮点数的计算。

反正到这里一切都是正常的，于情于理挺简单的应用当然不会有问题。

二、51 上的数据异常

2.1 程序移植

在 STM32 上替换很顺利，那么还有一款 51 内核的无线芯片也需要替换，那么其实也就是做了简单的移植，通讯逻辑基本和上面一样：

void SHT40THMeasure()
{
	sint16 tem,hum;
	uint16 buff[6] = {0};
	float Temperature=0;
  	float Humidity=0;
	time_wait(20);
	i2c_start();
	u8Ack = i2c_write(0x94); //SHT40_SOFT_RESET
	i2c_stop();
	time_wait(10);	
	i2c_start();
	u8Ack = i2c_write(0X44<<1); //I2C_Send_Byte(0x44<<1 | 0);
	u8Ack = i2c_write(0xFD);
	i2c_stop();
	time_wait(20); //HAL_Delay(20);
	i2c_start();
	u8Ack = i2c_write((0X44<<1) + 1);
	if(u8Ack==I2C_ACK){
		buff[0]= i2c_read(I2C_ACK);	
		buff[1]= i2c_read(I2C_ACK);	
		buff[2]= i2c_read(I2C_ACK);	
		buff[3]= i2c_read(I2C_ACK);
		buff[4]= i2c_read(I2C_ACK);	
		buff[5]= i2c_read(I2C_NACK);
		i2c_stop();
	} 

  tem = ((buff[0]<<8) | buff[1]);//温度拼接
  hum = ((buff[3]<<8) | buff[4]);//湿度拼接

  Temperature= (175.0*(float)tem/65535.0-45.0) ;// T = -45 + 175 * tem / (2^16-1)
  Humidity= (125.0*(float)hum/65535.0-6.0); 


	if((Temperature>=-20)&&(Temperature<=80)&&(Humidity>=0)&&(Humidity<=100))//过滤错误数据
  {
      aTemperature.value = (u16)(Temperature*100);
      aHumidity.value = (u16)(Humidity*100);
  }
  else
	{
     //数据出错，再来一遍
		i2c_start();
		u8Ack = i2c_write(0x94); //SHT40_SOFT_RESET
		i2c_stop();
		// 这里就省略了，就是重复一遍
    }
	
	if(aTemperature.value>4000) aTemperature.value=4000;              //prevent temperature over-/underflow
	else if(aTemperature.value<0) aTemperature.value=0;
	if(aHumidity.value>10000) aHumidity.value=10000;              //prevent temperature over-/underflow
	else if(aHumidity.value<0) aHumidity.value=0;

}

上面代码其实也不复杂，因为本来就很简单。但是在测试的时候，总是会出现温湿度数据异常的情况，比如湿度为0 ，温度最最大值等等。

2.2 问题分析

在最开始的时候，连硬件问题，然后还有因为低功耗需要给传感器断电问题都统统想到过，都先给一一排除了。

最终还是回到程序上来，也尝试过校验，软件复位，多次读取等等方式，发现依然存在问题。

各种可能的不可能的问题估计都想过，最后考虑了一下以前是 32 位的 ARM 内核，现在是 8 位 51 内核，是不是算法有点问题，然后看了下代码，主要集中在算法那两行代码：

	Temperature= (175.0*(float)tem/65535.0-45.0) ;// T = -45 + 175 * tem / (2^16-1)
	Humidity= (125.0*(float)hum/65535.0-6.0);

想着在 51 单片机上进行浮点数运算比较 “困难” 的，如果可以尽量减少浮点数的运算。

所以为了防止因为浮点数计算导致的问题，直接把浮点数运算也去掉，因为以前 SHT21 在 51 上数据也是正常的，所以参考了一下以前 SHT21 的算法书写：

sint16 sht21_calcRH(uint16 u16RH)
{
  sint16 humidityRH;              // variable for result

  u16RH &= ~0x0003;          // clear bits [1..0] (status bits)
  //-- calculate relative humidity [%RH] --

  humidityRH = (sint16)(-600 + (12500*(sint32)u16RH)/65536 ); // RH = -6 + 125 * SRH/2^16
  return humidityRH;                                          // Return RH*100
}

// -------------------------------------------------------------------
sint16 sht21_calcTemperature(uint16 u16T)
{
  sint16 temperature;            // variable for result

  u16T &= ~0x0003;           // clear bits [1..0] (status bits)

  //-- calculate temperature [癈] --
  temperature= (sint16)(-4685 + (17572*(sint32)u16T)/65536); //T = -46.85 + 175.72 * ST/2^16
  return temperature;                                        //return T*100
}

把算法变成如下：


	tem = ((buff[0]<<8) | buff[1]);//温度拼接
	hum = ((buff[3]<<8) | buff[4]);//湿度拼接
  
	aTemperature.value =   (sint16)	(17500*(sint32)tem/65535 - 4500) ;
	aHumidity.value = (sint16) (12500*(sint32)hum/65535 - 600); 
	...

上面已经没有了浮点数运算，数据类型也注意到了，感觉应该没什么问题。

但是实际测试下来，结果还是和以前一样。

期间还测试发现当湿度大于接近 40% 的时候，湿度 aHumidity.value 就会变成 0 。

为了排除不是传感器通讯的问题，期间还读取过 tem 和 hum 的值观察，然后自己通过算法计算都能得到准确的数据。

然后自己给一个合理的 tem hum 的值，如下图：


	tem = ((buff[0]<<8) | buff[1]);//温度拼接
	hum = ((buff[3]<<8) | buff[4]);//湿度拼接

	tem = 0x 78;//写文章的测试例子，当时是多少来着忘记了
	tem = 0x 78;

	aTemperature.value =   (sint16)	(17500*(sint32)tem/65535 - 4500) ;
	aHumidity.value = (sint16) (12500*(sint32)hum/65535 - 600); 
	...