基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

    • 基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示
  • 一、题目内容
  • 二、I2C总线通信协议
    • 1、介绍
    • 2、I2C物理层
    • 3、I2C协议层
    • 4、STM32 的 I2C 外设简介
  • 三、STM32通过I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集
    • 1、代码
    • 2、实验结果
  • 四、SPI以及OLED
    • 1、SPI以及OLED介绍
    • 2、SPI
    • 3、OLED
  • 五、STM32和OLED显示任务
    • 1、STM32和OLED显示学号及姓名
      • (一)代码
      • (二)实验结果
    • 2、STM32和OLED显示AHT20的温湿度
      • (一)代码
      • (二)实验结果
    • 3、STM32和OLED滑动显示长字符
      • (一)代码
      • (二)实验结果
  • 六、实验总结
  • 七、参考资料

一、题目内容

  1. 学习I2C总线通信协议,使用STM32F103完成基于I2C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。具体任务:

1)解释什么是“软件I2C”和“硬件I2C”? (阅读野火配套教材的第23章“I2C–读写EEPROM”原理章节)

2)阅读AHT20数据手册,编程实现: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)。

  1. 理解OLED屏显和汉字点阵编码原理,使用STM32F103的SPI或IIC接口实现以下功能:
  1. 显示自己的学号和姓名;

  2. 显示AHT20的温度和湿度;

  3. 上下或左右的滑动显示长字符,比如“Hello,欢迎来到重庆交通大学物联网205实训室!”或者一段歌词或诗词(最好使用硬件刷屏模式)。

二、I2C总线通信协议

1、介绍

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。

2、I2C物理层

I2C 通讯设备之间的常用连接方式:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第1张图片
物理层的特点:
(1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中,可连接多个 I2C 通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。
(2) 一个 I2C 总线只使用两条总线线路,一条双向串行数据线(SDA) ,一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据,时钟线用于数据收发同步。
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。
(5) 多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式:标准模式传输速率为 100kbit/s ,快速模式400kbit/s ,高速模式下可达 3.4Mbit/s,但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

3、I2C协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
I2C 通讯过程的基本结构:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第2张图片
通讯的起始和停止信号:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第3张图片
数据有效性:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第4张图片
每次数据传输都以字节为单位,每次传输的字节数不受限制。
地址及数据方向:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第5张图片
响应:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第6张图片

4、STM32 的 I2C 外设简介

STM32 的 I2C 外设可用作通讯的主机及从机,支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率,支持 7 位、10 位设备地址,支持 DMA 数据传输,并具有数据校验功能。
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第7张图片
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第8张图片

三、STM32通过I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集

实验需要:温湿度传感器AHT20、串口调试助手

1、代码

main.c

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_i2c.h"


int main(void)
{	
	delay_init();     
	uart_init(115200);	//串口通信波特率115200
	IIC_Init();
		while(1)
	{
		printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(1500);
  }
}

模块读取函数

void  read_AHT20_once(void)
{
	delay_ms(10);

	reset_AHT20();//重置AHT20芯片
	delay_ms(10);

	init_AHT20();//初始化AHT20芯片
	delay_ms(10);

	startMeasure_AHT20();//开始测试AHT20芯片
	delay_ms(80);

	read_AHT20();//读取AHT20采集的到的数据
	delay_ms(5);
}

AHT20芯片读取数据 read_AHT20函数

void read_AHT20(void)
{
	uint8_t   i;

	for(i=0; i<6; i++)
	{
		readByte[i]=0;
	}
	I2C_Start();//I2C启动

	I2C_WriteByte(0x71);//I2C写数据
	ack_status = Receive_ACK();//收到的应答信息
	readByte[0]= I2C_ReadByte();//I2C读取数据
	Send_ACK();//发送应答信息

	readByte[1]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[2]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[3]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[4]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[5]= I2C_ReadByte();
	SendNot_Ack();
	//Send_ACK();

	I2C_Stop();//I2C停止函数
	//判断读取到的第一个字节是不是0x08,0x08是该芯片读取流程中规定的,如果读取过程没有问题,就对读到的数据进行相应的处理
	if( (readByte[0] & 0x68) == 0x08 )
	{
		H1 = readByte[1];
		H1 = (H1<<8) | readByte[2];
		H1 = (H1<<8) | readByte[3];
		H1 = H1>>4;

		H1 = (H1*1000)/1024/1024;

		T1 = readByte[3];
		T1 = T1 & 0x0000000F;
		T1 = (T1<<8) | readByte[4];
		T1 = (T1<<8) | readByte[5];

		T1 = (T1*2000)/1024/1024 - 500;

		AHT20_OutData[0] = (H1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[1] = H1 & 0x000000FF;

		AHT20_OutData[2] = (T1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[3] = T1 & 0x000000FF;
	}
	else
	{
		AHT20_OutData[0] = 0xFF;
		AHT20_OutData[1] = 0xFF;

		AHT20_OutData[2] = 0xFF;
		AHT20_OutData[3] = 0xFF;
		printf("读取失败!!!");

	}
	printf("\r\n");
	//根据AHT20芯片中,温度和湿度的计算公式,得到最终的结果,通过串口显示
	printf("温度:%d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);
	printf("湿度:%d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);
	printf("\r\n");
}


2、实验结果

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第9张图片
成功编译,烧录。
程序采用的软件I2C实现,GPIO引脚PB6,PB7。
线路连接:SCL连接PB6,SDA连接PB7。
实验效果:

我们向芯片呼出一口气,我们可以很明显发现温湿度改变:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第10张图片
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第11张图片

四、SPI以及OLED

1、SPI以及OLED介绍

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口,是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间,要求通讯速率较高的场合。
OLED(OrganicLight-Emitting Diode),又称为有机电激光显示、有机发光半导体(OrganicElectroluminesence Display,OLED)。OLED属于一种电流型的有机发光器件,是通过载流子的注入和复合而致发光的现象,发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下,阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动,分别向空穴传输层和电子传输层注入,迁移到发光层。当二者在发光层相遇时,产生能量激子,从而激发发光分子最终产生可见光。

2、SPI

SPI 物理层:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第12张图片
协议层:与 I2C 的类似,SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
SPI 基本通讯过程:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第13张图片
通讯的起始和停止信号:NSS 是每个
从机各自独占的信号线,当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后,就知道自己被主机选中了,开始准备与主机通讯。在图中的标号处,NSS 信号由低变高,是 SPI 通讯的停止信号,表示本次通讯结束,从机的选中状态被取消。
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第14张图片
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第15张图片
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第16张图片
STM32 的 SPI 架构剖析:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第17张图片
通讯过程:
STM32 使用 SPI 外设通讯时,在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数,我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第18张图片

3、OLED

针SPI通信OLED和4针I2C通信OLED:
七针
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第19张图片
四针
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第20张图片
点阵编码原理与显示:
汉字点阵编码
在汉字的点阵字库中,每个字节的每个位都代表一个汉字的一个点,每个汉字都是由一个矩形的点阵组成,0 代表没有点,1 代表有点,将 0 和 1 分别用不同颜色画出,就形成了一个汉字,常用的点阵矩阵有 1212, 1414, 16*16 三 种字库。
字库根据字节所表示点的不同有分为横向矩阵和纵向矩阵,目前多数的字库都是横向矩阵的存储方式(用得最多的应该是早期 UCDOS 字库),纵向矩阵一 般是因为有某些液晶是采用纵向扫描显示法,为了提高显示速度,于是便把字库 矩阵做成纵向,省得在显示时还要做矩阵转换。
OLED点阵显示
点阵屏像素按128列X64行组织,每一行128个像素单元的阴极是连接在一起,作为公共极(COM),每一列64个像素单元的阳极也连接在一起,作为一段(SEG)。行列交叉点上的LED就是一个显示单元,即一个像素。要点亮一个像素,只要在该像素所在列电极上加上正电压、行电极接地。同样,要驱动一整行图像,就需要同时把128列信号加载到列电极上,把该行行电极接地。该行显示时,其他63行均不能显示,其行电极应为高电平或悬空。
可见,整屏的显示,只能分时扫描进行,一行一行的显示,每次显示一行。行驱依次产生低电平扫描各行,列驱动读取显示数据依次加载到列电极上。扫描一行的时间称为行周期,完成一次全屏扫描,就叫做一帧。一般帧频大于60,人眼观察不到逐行显示。每行扫描显示用时叫占空比,占空比小,为达到相同的显示亮度,驱动电流就大。SSD1306段驱动最大电流为100uA,当整行128个像素全部点亮时,行电极就要流过12.8mA的电流。

五、STM32和OLED显示任务

1、STM32和OLED显示学号及姓名

汉字点阵取模
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第21张图片
生成字模
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第22张图片

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第23张图片

(一)代码

内容显示 TEST_MainPage函数->test.c文件

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowString(28,0,"lyw",16,1);//英文姓名
	GUI_ShowCHinese(28,20,16,"刘亚文",1);//中文姓名
	//GUI_ShowString(40,32,"64X128",16,1);
	GUI_ShowString(4,48,"631907030416",16,1);
	//GUI_ShowString(4,48,"www.lcdwiki.com",16,1);
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}

文字存储(举例)->oledfont.h文件

const typFNT_GB16 cfont16[] = 
{
	"系",0x00,0xF8,0x3F,0x00,0x04,0x00,0x08,0x20,0x10,0x40,0x3F,0x80,0x01,0x00,0x06,0x10,
	0x18,0x08,0x7F,0xFC,0x01,0x04,0x09,0x20,0x11,0x10,0x21,0x08,0x45,0x04,0x02,0x00,/*"系",0*/
	"统",0x10,0x40,0x10,0x20,0x20,0x20,0x23,0xFE,0x48,0x40,0xF8,0x88,0x11,0x04,0x23,0xFE,
	0x40,0x92,0xF8,0x90,0x40,0x90,0x00,0x90,0x19,0x12,0xE1,0x12,0x42,0x0E,0x04,0x00,/*"统",1*/
	"设",0x00,0x00,0x21,0xF0,0x11,0x10,0x11,0x10,0x01,0x10,0x02,0x0E,0xF4,0x00,0x13,0xF8,
	0x11,0x08,0x11,0x10,0x10,0x90,0x14,0xA0,0x18,0x40,0x10,0xA0,0x03,0x18,0x0C,0x06,/*"设",2*/
	"置",0x7F,0xFC,0x44,0x44,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x1F,0xF0,0x10,0x10,
	0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0xFF,0xFE,0x00,0x00,/*"置",3*/
};

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第24张图片
main.c

int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏(全黑)
	while(1) 
	{	
		TEST_MainPage();         //界面显示
	}
}

(二)实验结果

编译成功
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第25张图片
烧录
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第26张图片
结果展示:
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第27张图片

2、STM32和OLED显示AHT20的温湿度

(一)代码

main.c:

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_i2c.h"
#include "sys.h"
 
#include "oled.h"
#include "gui.h"
#include "test.h"
 
int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化    	  
	uart_init(115200);	 
	IIC_Init();
		  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级,2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0); 
	while(1)
	{
		//printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		OLED_Clear(0); 
		delay_ms(1500);
  }
}

主要是将温度采集通过串口发到OLED屏。
编译成功
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第28张图片
烧录

(二)实验结果


由于没有传感器,导致温湿度显示为0.

3、STM32和OLED滑动显示长字符

取点阵
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第29张图片
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第30张图片

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第31张图片

(一)代码

main.c

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "oled.h"
#include "gui.h"
#include "test.h"
int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级,2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏(全黑)
	OLED_WR_Byte(0x2E,OLED_CMD);        //关闭滚动
  OLED_WR_Byte(0x27,OLED_CMD);        //水平向左或者右滚动 26/27
  OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
	OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //起始页 0
	OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //滚动时间间隔
	OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //终止页 7
	OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
	OLED_WR_Byte(0xFF,OLED_CMD);        //虚拟字节
	TEST_MainPage();
	OLED_WR_Byte(0x2F,OLED_CMD);        //开启滚动
	while(1) 
	{	
		
		
	}
}


编译成功
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第32张图片
烧录
基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示_第33张图片

(二)实验结果


由于某些未知原因只显示一半的字。

六、实验总结

这次实验收获还是挺大的,学到了很多新的东西,但是在字符滚动的这部分,不知道哪里遇见了问题导致字符只是显示一半的的字体,这个问题还需要我后续去思考,然后去解决,前面的实验也还是遇到了很多的问题但是由大佬的博客,以及同学的帮助得到了解决,总之这次实验还是收获挺大的。

七、参考资料

https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/111597278
https://blog.csdn.net/qq_45237293/article/details/111712565
https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/111414037

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