基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集

一、I2C相关

1、I2C总线简介

• I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
• I2C总线物理拓扑结构
  
  I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来 产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

工作原理

• SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出，需通过上拉电阻接电源VCC。

• 当总线空闲时，两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路。在总线上消耗的电流很小，因此，总线上扩展的器件数量主要由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容，而线路中电容会影响总线传输速度。当电容过大时，有可能造成传输错误。所以，其负载能力为400pF，因此可以估算出总线允许长度和所接器件数量。

• 主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

总线特征

• 在硬件上，I2C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺．因此I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。因为I2C芯片除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。

• I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。

• I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试，故障可以立即被寻址，软件也利于标准化和模块化，缩短开发时间。

• 连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3．4Mbit/s。

• 总线具有极低的电流消耗．抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。

2、I2C协议简介

• I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

• I2C协议包括“软件I2C”和“硬件I2C”

软件I2C

将芯片的两个GPIO引脚分别用作SCL及SDA，按照I2C的时序要求，直接控制引脚的输出信号(若是接收数据时则读取 SDA 电平)，就可以实现I2C通讯。由于是直接控制GPIO引脚的高低电平产生通讯时序，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称为“软件模拟协议”方式即软件I2C方式。

硬件I2C

• 硬件I2C对应芯片上的I2C外设，具有相应的I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，因而效率要远高于软件模拟的I2C，但是程序较为繁琐。硬件I2C是直接调用内部寄存器进行配置。

• 对于硬件I2C来说，它需要I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生I2C的通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作负担，并且使软件开发更简单。

二者比较

• 硬件I2C用法比较复杂，模拟I2C的流程更清楚一些。
• 硬件I2C速度比模拟快，并且可以用DMA。
• 硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。
• 模拟I2C 是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式，而硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。如果要从具体硬件上来看，可以去看下芯片手册。因为固件I2C的端口是固定的，所以会有所区别。
• 模拟I2C可以在任何管脚上，而硬件只能在固定管脚上。
  软件I2C是程序员使用程序控制SCL、SDA线输出高低电平，模拟I2C协议的时序。一般较硬件I2C稳定，但是程序较为繁琐，但不难。 硬件I2C程序员只要调用I2C的控制函数即可，不用直接的去控制SCL、SDA高低电平的输出。但是有些单片机的硬件I2C不太稳定，调试问题较多。

如何区分软件I2C和硬件I2C

• 可以看底层配置，比如IO口配置，如果配置了IO口的功能（IIC功能）那就是固件IIC，否则就是模拟。
• 可以看IIC写函数，看里面有没有调用现成的函数或者给某个寄存器赋值，如果有，则肯定是固件IIC功能，没有的话肯定是数据一个bit一个bit模拟发生送的，肯定用到了循环，则为模拟。
• 根据代码量判断，模拟的代码量肯定比固件的要大。

二、基于I2C的AHT20温湿度采集实验

AHT20简介

• AHT20是国内奥松生成的I2C接口的MEMS温湿度传感器，ADC位数为20Bit，具有体积小、精度高、成本低等优点。

• 由于AHT10/15/20 具有国产化、体积小、精度高、成本低等特点，可以替代 DHT11/DHT12/AM2320/SHT20/SHT30，单芯片价格在￥2~3，体积小巧很轻松嵌入到产品上。

1、实验要求

• 每隔2秒钟采集一次温湿度数据

• 并通过串口发送到上位机（win10）

2、实验元件

1. AHT20集成式温湿度传感器

2. 野火指南者开发板

3、实验过程

连接实验元件

将AHT20温湿度传感器与野火指南者开发板连接
管脚连接：

连接好后如下

实验代码

源代码地址链接：https://github.com/Thee24LYJ/STM32_AHT20

打开USER文件中的keil文件

main.c程序如下

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "temhum.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"

 int main(void)
 {
     	 	
    u32 CT_data[2]={
     0};
    volatile float  hum=0,tem=0;     
     
    delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
    uart_init(115200);	 //串口初始化为115200
    LED_Init();			     //LED端口初始化
    temphum_init();     //ATH20初始化    
	
	while(1)
	{
     
        AHT20_Read_CTdata(CT_data);       //不经过CRC校验，直接读取AHT20的温度和湿度数据 

        hum = CT_data[0]*100*10/1024/1024;  //计算得到湿度值（放大了10倍）
        tem = CT_data[1]*200*10/1024/1024-500;//计算得到温度值（放大了10倍）

        printf("湿度:%.1f%%\r\n",(hum/10));
        printf("温度:%.1f度\r\n",(tem/10));
        printf("\r\n");
        
        //延时2s,LED闪烁提示串口发送状态
        LED=0;
        delay_ms(1000);
        LED=1;
        delay_ms(1000);
	 }
}

编译运行，生成.hex文件

烧录程序

用USB线将指南者开发板与电脑相连
打开mcuisp烧录软件，选中要进行烧录的.hex文件，进行如下设置

烧录成功

温湿度采集

打开串口调试助手查看温湿度
每隔2秒钟采集一次温湿度数据：

捂住温湿度传感器，数据发生改变：

四、总结

以上便完成基于I2C硬件协议的AHT20温湿度传感器的数据采集，并将采集的温度-湿度值通过串口输出。