stm32下IIC读取温湿度传感器数据

---

前言

学习单片机肯定离不开传感器的学习，当掌握了单片机的相关知识之后，我们要学会用单片机去驱动传感器，并且从传感器那里正确的读回我们想要的数据。我们要学会写传感器的接口函数，并且学会阅读芯片的数据手册，这都是我们所必须学的，并且要学回通过阅读芯片的数据手册能够驱动一款芯片。这是我们所需要掌握的基本技能，接下来主要对AHT20这款温湿度传感器的驱动的学习。并且根据手册正确读回数据。

---

一、什么是IIC

1.IIC简介

IIC（inter-integrated Circuit集成电路总线)总线支持设备之间的短距离通信，用于处理器和一些外围设备之间的接口，它需要两根信号线来完成信息交换。IIC的一个特殊工艺优势是微控制器只需要两个通用I/O引脚和软件即可控制芯片网络。IIC最早是飞利浦在1982年开发设计并用于自己的芯片上，一开始只允许100Khz、7-bit标准地址，1992年，IIC的第一个公共规范发行，增加了400Khz的快速模式以及10bit地址扩展。

• I2C通讯协议(Inter－Integrated Circuit)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。
• 实现I2C需要两根信号线完成信息交换，SCL时钟信号线，SDA数据输入/输出线。它属于同步通信，由于输入输出数据均使用一根线，因此通信方向为半双工。
• I2C最少只需要两根线，和异步串口类似，但可以支持多个slave设备。一个I2C理论上最多可挂载127个设备，但除去保留地址，最多可挂载112个设备。
• 和SPI不同的是，I2C可以支持multi-master系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信（master之间不可通过I2C通信，并且每个master只能轮流使用I2C总线）。
• 使用I2C传输数据会有一些额外消耗：每发送8bits数据，就需要额外1bit的元数据（ACK或NACK）。
• I2C支持双向数据交换，由于仅有一根数据线，故通信是半双工的。硬件复杂度也位于串口和SPI之间，而软件实现可以相当简单。
• I2C的数据传输速率位于串口和SPI之间，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。

2.IIC协议层

• 起始信号：当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换
  
• 停止信号：当 SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换。

• I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
• 应答信号：应答信号为低电平时，规定为有效应答（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接受了该字节。
  
• 非应答信号：应答位为高电平时，规定为非应答信号（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
  
• 帧地址：I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。
• 作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

3.IIC物理层

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

4.软件IIC&硬件IIC

• 软件模拟IIC一般都是用两个GPIO管脚来模拟IIC协议的时序,通过控制两个管脚的高低电平状态来模拟出IIC的通信波形。十分的方便，任意两个GPIO管脚就能够实现。
• 硬件IIC的话就是单片机上有对应的IIC外设和IIC的驱动电路。硬件IIC相对于软件模拟IIC就有个很不方便的地方，软件模拟IIC随意选两个引脚都可以实现，但是硬件IIC就不行，其管脚已经固定，不能更改。
• 硬件IIC的效率和速度是要比软件IIC要高的，且软件模拟IIC的代码量明显要比硬件IIC多得多，但胜在软件模拟的方便灵活。
• 在有些单片机是没有硬件IIC的功能的，像51单片机就没有硬件IIC功能，且在有些单片机上硬件IIC会不太稳定，会给调试、开发过程带来许多困扰。

二、工程创建及程序实现

1.软件模拟IIC代码

#include "I2C.h"
#include "Delay.h"
void IIC_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);
}
void I2C_Start(void)
{
    SDA_OUT();//SDA设置为输出
    I2C_SDA = 1;
    I2C_SCL = 1;
    Delay_us(5);
    I2C_SDA = 0;//当SCL为高时，SDA由高变低
    Delay_us(5);
    I2C_SCL = 0;//开始发送或者接收数据
}
void I2C_Stop(void)
{
    SDA_OUT();
    I2C_SCL = 0;
    I2C_SDA = 0;
    Delay_us(5);
    I2C_SCL = 1;//当CLK为高时，SDA由低变高
    Delay_us(5);
    I2C_SDA = 1;//发送i2c总线结束信号
}
//产生ACK应答
void I2C_ACK(void)
{
    I2C_SCL = 0;
    SDA_OUT();
    I2C_SDA = 0;
    Delay_us(2);
    I2C_SCL = 1;
    Delay_us(2);
    I2C_SCL = 0;
}
void I2C_NACK(void)
{
    I2C_SCL = 0;
    SDA_OUT();
    I2C_SDA = 1;
    Delay_us(2);
    I2C_SCL = 1;
    Delay_us(2);
    I2C_SCL = 0;
}
uint8_t I2C_Wait_ACK(void)
{
    uint8_t UcErrTime = 0;
    SDA_IN();
    I2C_SDA = 1;
    Delay_us(1);
    I2C_SCL = 1;
    Delay_us(1);
    while(I2C_READ_SDA)
    {
        UcErrTime++;
        if(UcErrTime>250)
        {
            I2C_Stop();
            return 1;
        }
    }
    I2C_SCL = 0;
    return 0;
}

//I2C发送一个字节
void I2C_Send_Byte(uint8_t data)
{
    uint8_t t;
    SDA_OUT();
    I2C_SCL = 0;//
    for(t = 0;t < 8; t++)
    {
        I2C_SDA = (data&0x80)>>7;
        data <<= 1;
        Delay_us(2);
        I2C_SCL = 1;
        Delay_us(2);
        I2C_SCL = 0;
        Delay_us(2);
    }
}

//I2C读取一个字节
uint8_t I2C_Read_Byte(uint8_t ack)
{
    uint8_t i,Receive = 0;
    SDA_IN();
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        I2C_SCL = 0;
        Delay_us(2);
        I2C_SCL = 1;
        Receive <<= 1;
        if(I2C_READ_SDA) Receive++;
        Delay_us(1);
    }
    if(!ack) I2C_NACK();
    else I2C_ACK();
    return Receive;
}

2.温湿度传感器读取

#include "AHT20.h"

//读AHT20的状态字
static uint8_t AHT20_ReadStatusCmd(void)
{
	uint8_t tmp[1];
	Soft_I2C_Read(AHT20_SLAVE_ADDRESS,AHT20_STATUS_REG,1,tmp);
	return tmp[0];
}

//读AHT20标准使能位
static uint8_t AHT20_ReadCalEnableCmd(void)
{
	uint8_t tmp;
	tmp = AHT20_ReadStatusCmd();
	return (tmp>>3)&0x01;
}

//读取AHT20 忙标志位
static uint8_t AHT20_ReadBusyCmd(void)
{
	uint8_t tmp;
	tmp = AHT20_ReadStatusCmd();
	return (tmp>>7)&0x01;
}

//AHT20芯片初始化函数
static void AHT20_IcInitCmd(void)
{
	uint8_t tmp[2];
	tmp[0] = 0x08;
	tmp[1] = 0x00;
	Soft_I2C_Write(AHT20_SLAVE_ADDRESS, AHT20_INIT_REG, 2, tmp);
}

//触发AHT20测量
static void AHT20_TrigMeasureCmd(void)
{
	uint8_t tmp[2];
	tmp[0] = 0x33;
	tmp[1] = 0x00;
	Soft_I2C_Write(AHT20_SLAVE_ADDRESS, AHT20_Measure, 2, tmp);
}

//AHT20软复位函数
static void AHT20_SoftResetCmd(void)
{
	uint8_t tmp[1];
	Soft_I2C_Write(AHT20_SLAVE_ADDRESS, AHT20_Reset, 0, tmp);
}

//AHT20 设备初始化
uint8_t AHT20_Init(void)
{
	uint8_t rcnt = 2+1;//软复位命令 重试次数，2次
	uint8_t icnt = 2+1;//初始化命令 重试次数，2次
	
	while(--rcnt)
	{
		icnt = 2+1;
		
		Delay_ms(40);//上电后要等待40ms
		// 读取温湿度之前，首先检查[校准使能位]是否为1
		while((!AHT20_ReadCalEnableCmd()) && (--icnt))// 2次重试机会
		{
			Delay_ms(10);
			// 如果不为1，要发送初始化命令
			AHT20_IcInitCmd();
			Delay_ms(200);//这个时间不确定，手册没讲
		}
		
		if(icnt)//[校准使能位]为1,校准正常
		{
			break;//退出rcnt循环
		}
		else//[校准使能位]为0,校准错误
		{
			AHT20_SoftResetCmd();//软复位AHT20器件，重试
			Delay_ms(200);//这个时间不确定，手册没讲
		}
	}
	
	if(rcnt)
	{
		Delay_ms(200);//这个时间不确定，手册没讲
		return 0;// AHT20设备初始化正常
	}
	else
	{
		return 1;// AHT20设备初始化失败
	}
}
//读取AHT20的数据
uint8_t AHT20_ReadHT(uint32_t *HT)
{
	uint8_t cnt=3+1;//忙标志 重试次数，3次
	uint8_t tmp[6];
	uint32_t RetuData = 0;
	
	// 发送触发测量命令
	AHT20_TrigMeasureCmd();
	do{
		Delay_ms(75);//等待75ms待测量完成，忙标志Bit7为0
	}while(AHT20_ReadBusyCmd() && (--cnt));//重试3次
	
	if(cnt)//设备闲，可以读温湿度数据
	{
		Delay_ms(5);
		// 读温湿度数据
		Soft_I2C_Read(AHT20_SLAVE_ADDRESS, AHT20_STATUS_REG, 6, tmp);
		// 计算相对湿度RH。原始值，未计算为标准单位%。
		RetuData = 0;
		RetuData = (RetuData|tmp[1]) << 8;
		RetuData = (RetuData|tmp[2]) << 8;
		RetuData = (RetuData|tmp[3]);
		RetuData = RetuData >> 4;
		HT[0] = RetuData;
		
		// 计算温度T。原始值，未计算为标准单位°C。
		RetuData = 0;
		RetuData = (RetuData|tmp[3]) << 8;
		RetuData = (RetuData|tmp[4]) << 8;
		RetuData = (RetuData|tmp[5]);
		RetuData = RetuData&0xfffff;
		HT[1] = RetuData;
		
		return 0;
	}
	else//设备忙，返回读取失败
	{
		return 1;
	}
}
//原始数据转换函数
uint8_t StandardUnitCon(struct AHT20_INF* aht)
{
	aht->rh = (double)aht->ht[0] *100 / 1048576;//2^20=1048576 //原式：(double)aht->HT[0] / 1048576 *100，为了浮点精度改为现在的
	aht->te = (double)aht->ht[1] *200 / 1048576 -50;
	
	//限幅,RH=0~100%; Temp=-40~85°C
	if((aht->rh >=0)&&(aht->rh <=100) && (aht->te >=-40)&&(aht->te <=85))
	{
		aht->flag = 0;
		return 0;//测量数据正常
	}
	else
	{
		aht->flag = 1;
		return 1;//测量数据超出范围，错误
	}
}
uint8_t Soft_I2C_Write(uint8_t addr,uint8_t reg_addr,uint8_t len,uint8_t *data_buf)
{

    uint8_t i;
	
	I2C_Start();
	I2C_Send_Byte(addr << 1 | I2C_Direction_Transmitter);//发送器件地址+写命令
	if(I2C_Wait_ACK())//等待应答
	{
		I2C_Stop();
		return 1;
	}
	
	I2C_Send_Byte(reg_addr);//写寄存器地址
    I2C_Wait_ACK();//等待应答
	
	for(i=0;i<len;i++)
	{
		I2C_Send_Byte(data_buf[i]);//发送数据
		if(I2C_Wait_ACK())//等待ACK
		{
			I2C_Stop();
			return 1;
		}
	}
    I2C_Stop();
	return 0;
}

uint8_t Soft_I2C_Read(uint8_t addr,uint8_t reg_addr,uint8_t len,uint8_t *data_buf)
{

	uint8_t result;
	
	I2C_Start();
	I2C_Send_Byte(addr << 1 | I2C_Direction_Transmitter);//发送器件地址+写命令
	if(I2C_Wait_ACK())//等待应答
	{
		I2C_Stop();
		return 1;
	}
	
	I2C_Send_Byte(reg_addr);//写寄存器地址
    I2C_Wait_ACK();//等待应答
	
	I2C_Start();
	I2C_Send_Byte(addr << 1 | I2C_Direction_Receiver);//发送器件地址+读命令
	I2C_Wait_ACK();//等待应答
	
    while(len)
	{
		if(len==1)*data_buf=I2C_Read_Byte(0);//读数据,发送nACK
		else *data_buf=I2C_Read_Byte(1);//读数据,发送ACK
		len--;
		data_buf++;
	}
    I2C_Stop();//产生一个停止条件
	return 0;
}

3.主函数调用读取温湿度

	IIC_Init();
    Delay_Init();
	My_Uart_Init(115200);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
	GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);

	AHT20.alive = !AHT20_Init();
	while(1)
	{
		if(AHT20.alive)
		{
			AHT20.flag = AHT20_ReadHT(AHT20.ht);
			StandardUnitCon(&AHT20);
		}
		printf("温度:%.2f°c  湿度:%.2f%%\n",AHT20.te,AHT20.rh);
    	Delay_ms(1000);
	}

三、烧板效果展示

可以看到，程序运行很成功，成功读取到了温湿度信息，已基本掌握写外设传感器的接口函数的方法。

---

总结

在学习过程中，我也有遇到许许多多问题，虽然写温湿度传感器的接口函数相对于来说比较简单，但是如果不细心的话还是会有很多问题。首先，整个工程都是用标库写的，我在写的过程中就不小心开错了时钟，刚开始导致怎么都读不对数据，后面经过仔细检查才发现，调用时钟开启函数时候打错一个数字，刚好它的固件库也有这个函数，编译不报错，这里浪费了很多时间，还有就是这个温湿度传感器虽然数据手册上写供电2.8~5v都可以，并且建议是3.3v，但是不知道为什么我3.3v就读不出来，当我接5v的时候就正常。