STM32CubeMX配置STM32F407的硬件IIC采集AHT20的温湿度
文章目录
- 前言
- 一、ATH20手册连接与注意事项
- 二、STM32CubeMX配置硬件IIC
- 三、具体实现代码
- 四、使用过程中碰到的问题及其解决方案
前言
最近在使用奥松的AHT20对环境温湿度进行采集。本例程采用ST的硬件IIC进行通讯，具体操作如下。
一、ATH20手册连接与注意事项
手册连接：AHT20数据手册
注意事项：
1、手册中器件地址是错误的，如下图：
此器件地址实际应该是0x70，而不是0x38。
2、在使用模拟IIC读取温湿度数值时，一定注意在停止信号前发送“NACK”非应答信号，而中间读取完一个字节发送的是“ACK”应答信号。如下图所示：
但是采用HAL库配置的硬件IIC，则直接使用如下两个相关函数即可，无需关注此应答信号。
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
从此处可以明显体现出硬件IIC的优势。
二、STM32CubeMX配置硬件IIC
使用STM32CubeMX配置硬件IIC，如下图：
三、具体实现代码
1、AHT20.h代码如下：
#ifndef INC_AHT20_H_
#define INC_AHT20_H_
#include "i2c.h"
//****************************************
// 定义 AHT20 命令
//****************************************
#define AHT20_Write 0x00 //读取
#define AHT20_Read 0x01 //写入
//****************************************
// 定义 AHT20 地址
//****************************************
#define AHT20_SLAVE_ADDRESS 0x70 /* I2C从机地址 */
//****************************************
// 定义 AHT20 命令
//****************************************
#define AHT20_INIT_COMD 0xBE //初始化 寄存器地址
#define AHT20_SoftReset 0xBA //软复位 单指令
#define AHT20_TrigMeasure_COMD 0xAC //触发测量 寄存器地址
// 存储AHT20传感器信息的结构体
typedef struct m_AHT20
{
uint8_t alive; // 0-器件不存在; 1-器件存在
uint8_t flag; // 读取/计算错误标志位。0-读取/计算数据正常; 1-读取/计算设备失败
uint32_t HT[2]; // 湿度、温度 原始传感器的值(20Bit).
float RH; // 湿度，转换单位后的实际值，标准单位%
float Temp; // 温度，转换单位后的实际值，标准单位°C
}AHT20_StructureTypedef;
extern AHT20_StructureTypedef Humiture;
uint8_t AHT20_Init(void);
void AHT20_Start_Init(void);
uint8_t AHT20_ReadHT(uint32_t *HT);
uint8_t StandardUnitCon(AHT20_StructureTypedef *aht);
uint8_t AHT20_Get_Value(AHT20_StructureTypedef *p);
#endif /* INC_AHT20_H_ */
其中，void AHT20_Start_Init(void);参考奥松官方代码编写，未进行验证。
2、AHT20.c代码如下：
#include "AHT20.h"
AHT20_StructureTypedef Humiture;
/**
* @brief 读AHT20 设备状态字
* @param void
* @retval uint8_t 设备状态字
*/
static uint8_t AHT20_ReadStatusCmd(void)
{
uint8_t tmp = 0;
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, &tmp, 1, 0xFFFF);
return tmp;
}
/**
* @brief 读AHT20 设备状态字 中的Bit3: 校准使能位
* @param void
* @retval uint8_t 校准使能位：1 - 已校准; 0 - 未校准
*/
static uint8_t AHT20_ReadCalEnableCmd(void)
{
uint8_t tmp = 0;
tmp = AHT20_ReadStatusCmd();
return (tmp>>3)&0x01;
}
/**
* @brief 读AHT20 设备状态字 中的Bit7: 忙标志
* @param void
* @retval uint8_t 忙标志：1 - 设备忙; 0 - 设备空闲
*/
static uint8_t AHT20_ReadBusyCmd(void)
{
uint8_t tmp = 0;
tmp = AHT20_ReadStatusCmd();
return (tmp>>7)&0x01;
}
/**
* @brief AHT20 芯片初始化命令
* @param void
* @retval void
*/
static void AHT20_IcInitCmd(void)
{
uint8_t tmp = AHT20_INIT_COMD;
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, &tmp, 1, 0xFFFF);
}
/**
* @brief AHT20 软复位命令
* @param void
* @retval void
*/
static void AHT20_SoftResetCmd(void)
{
uint8_t tmp = AHT20_SoftReset;
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, &tmp, 1, 0xFFFF);
}
/**
* @brief AHT20 触发测量命令
* @param void
* @retval void
*/
static void AHT20_TrigMeasureCmd(void)
{
static uint8_t tmp[3] = {AHT20_TrigMeasure_COMD, 0x33, 0x00};
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, tmp, 3, 0xFFFF);
}
/**
* @brief AHT20 设备初始化
* @param void
* @retval uint8_t：0 - 初始化AHT20设备成功; 1 - 初始化AHT20失败，可能设备不存在或器件已损坏
*/
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;
HAL_Delay(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
{
HAL_Delay(1);
// 如果不为1，要发送初始化命令
AHT20_IcInitCmd();
HAL_Delay(40);//这个时间手册没说，按上电时间算40ms
}
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
HAL_Delay(20);//这个时间手册标明不超过20ms.
}
}
if(rcnt)
{
return 0;// AHT20设备初始化正常
}
else
{
return 1;// AHT20设备初始化失败
}
}
/**
* @brief AHT20 寄存器复位
* @param void
* @retval void
*/
static void AHT20_Register_Reset(uint8_t addr)
{
uint8_t iic_tx[3] = {0}, iic_rx[3] = {0};
iic_tx[0] = addr;
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, iic_tx, 3, 0xFFFF);
HAL_Delay(5);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, iic_rx, 3, 0xFFFF);
HAL_Delay(10);
iic_tx[0] = 0xB0 | addr;
iic_tx[1] = iic_rx[1];
iic_tx[2] = iic_rx[2];
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, iic_tx, 3, 0xFFFF);
HAL_Delay(10);
}
/**
* @brief AHT20 设备开始初始化
* @param void
* @retval void
*/
void AHT20_Start_Init(void)
{
static uint8_t temp[3] = {0x1B, 0x1C, 0x1E}, i;
for(i = 0; i < 3; i++)
{
AHT20_Register_Reset(temp[i]);
}
}
/**
* @brief AHT20 设备读取 相对湿度和温度（原始数据20Bit）
* @param uint32_t *HT：存储20Bit原始数据的uint32数组
* @retval uint8_t：0-读取数据正常; 1-读取设备失败，设备一直处于忙状态，不能获取数据
*/
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{
HAL_Delay(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
{
HAL_Delay(5);
// 读温湿度数据
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, tmp, 6, 0XFFFF);
// 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;
}
}
/**
* @brief AHT20 温湿度信号转换（由20Bit原始数据，转换为标准单位RH=%，T=°C）
* @param struct m_AHT20* aht：存储AHT20传感器信息的结构体
* @retval uint8_t：0-计算数据正常; 1-计算数据失败，计算值超出元件手册规格范围
*/
uint8_t StandardUnitCon(AHT20_StructureTypedef *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->Temp = (double)aht->HT[1] *200 / 1048576 -50;
//限幅,RH=0~100%; Temp=-40~85°C
if((aht->RH >=0)&&(aht->RH <=10000) && (aht->Temp >=-4000)&&(aht->Temp <=8500))
{
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
}
}
/**
* @brief AHT20 温湿度信号转换（由20Bit原始数据，转换为标准单位RH=%，T=°C）
* @param struct m_AHT20* aht：存储AHT20传感器信息的结构体
* @retval uint8_t：0-计算数据正常; 1-计算数据失败，计算值超出元件手册规格范围
*/
uint8_t AHT20_Get_Value(AHT20_StructureTypedef *p)
{
uint8_t temp = 0;
temp = AHT20_ReadHT(p->HT);
if(temp == 0)
{
temp = StandardUnitCon(p);
}
return temp;
}
3、main.c代码如下：
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_I2C1_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
if(AHT20_Init() != 0)
{
Humiture.alive = 0;
printf("AHT20 Initialization failed\r\n");
}
else
{
Humiture.alive = 1;
printf("AHT20 Initialization succeeded\r\n");
}
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
AHT20_Get_Value(&Humiture);
printf("environment temperature is : %.2f;\r\nenvironment humidity is : %.2f",Humiture.Temp, Humiture.RH);
HAL_Delay(1000);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
以上代码均已验证可用。
试验结果如下图：
四、使用过程中碰到的问题及其解决方案
1、问题：突然发现读取的温度为0.0，湿度为99.99%，重新下载程序在线调试，波形无改变，且IIC初始化后，SR2寄存器的BUSY位为1，表示IIC忙碌。
通过逻辑分析仪查看IIC引脚波形如下图，SCL为高，SDA为低。
2、原因：因为此时从机正在发数据给主机，但是此时主机因为重启，所以clk被上拉电阻一直置为高。从机此时发送给主机的数据位刚好是低电平，若clk不为低，从机讲一直保持低电平数据（CLK为低：SDA改变数据；CLK为高：SDA数据保持）。详见博客：I2C通讯过程中SDA被一直拉低。
3、解决方案：
上电后初始化IIC前，检测SCL和SDA引脚电平，只要有一个为低电平，则进行软件模拟IIC起始位。实现代码放在i2c.c文件。具体如下：
在i2c.h文件中声明函数：
/* USER CODE BEGIN Prototypes */
void I2C1_Recover(void);
/* USER CODE END Prototypes */
在i2c.c文件中定义函数：
/* USER CODE BEGIN 1 */
void I2C1_Recover(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
/**I2C1 GPIO Configuration
PB6 ------> I2C1_SCL
PB7 ------> I2C1_SDA
*/
//SCL SDA配置普通引脚
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
//软件模拟起始位
if ((HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_6) & HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_7)) == GPIO_PIN_RESET)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
for (uint16_t i = 0; i < 0x0fff; i++)
{
__NOP();
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
for (uint16_t i = 0; i < 0x0fff; i++)
{
__NOP();
}
}
//SCL SDA配置为引脚IIC引脚
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
/* USER CODE END 1 */
在两个文件中调用函数I2C1_Recover()，第一个是在i2c.c文件的MX_I2C1_Init()函数中调用：
/* I2C1 init function */
void MX_I2C1_Init(void)
{
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 0 */
I2C1_Recover();
/* USER CODE END I2C1_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 1 */
/* USER CODE END I2C1_Init 1 */
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 2 */
/* USER CODE END I2C1_Init 2 */
}
第二个是在main.c的主函数while(1)中调用：
iic_state = AHT20_Get_Value(&Humiture); //iic_state 在while(1)之前定义。
if(iic_state)
{
SYSlog("AHT20 Get Date is Fault, iic state code :%d\r\n", iic_state);
I2C1_Recover();
}
修改AHT20.C文件中函数AHT20_ReadHT(uint32_t *HT)的定义：
/**
* @brief AHT20 设备读取 相对湿度和温度（原始数据20Bit）
* @param uint32_t *HT：存储20Bit原始数据的uint32数组
* @retval uint8_t：0-读取数据正常; 1-读取设备失败，设备一直处于忙状态，不能获取数据; 2-通讯异常
*/
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[2] = {0, 0};
// 发送触发测量命令
AHT20_TrigMeasureCmd();
do{
HAL_Delay(100);//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
{
HAL_Delay(5);
// 读温湿度数据
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_SLAVE_ADDRESS, tmp, 6, 0XFFFF);
// 计算相对湿度RH。原始值，未计算为标准单位%。
RetuData[0] = 0;
RetuData[0] = (RetuData[0] | tmp[1]) << 8;
RetuData[0] = (RetuData[0] | tmp[2]) << 8;
RetuData[0] = (RetuData[0] | tmp[3]);
RetuData[0] = RetuData[0] >> 4;
// 计算温度T。原始值，未计算为标准单位°C。
RetuData[1] = 0;
RetuData[1] = (RetuData[1] | tmp[3]) << 8;
RetuData[1] = (RetuData[1] | tmp[4]) << 8;
RetuData[1] = (RetuData[1] | tmp[5]);
RetuData[1] = RetuData[1] & 0xfffff;
//对原始值进行判断，如果都为0，则通讯异常
if((RetuData[0] == 0) && (RetuData[1] == 0))
{
return 2;
}
HT[0] = RetuData[0];
HT[1] = RetuData[1];
return 0;
}
else//设备忙，返回读取失败
{
return 1;
}
}
4、结果：
本文参考模拟IIC文章：AHT20温湿度传感器STM32-I2C驱动，替代DHT11/DHT12/AM2320/SHT20/SHT30，IIC代码兼容AHT10/15-MEMS温湿度传感器
及奥松官网例程。
本程序几乎适用于所有基于IIC通讯的温湿度传感器。