STM32 I2C协议读取温湿度传感器
文章目录
- 一、任务目标
- 二、材料准备
- 三、I2C介绍
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- 1.I2C通信
- 2.硬件电路
- 3.I2C时序基本单元
- 4.I2C时序
- 5.硬件I2C与软件I2C
- 四、温湿度传感器模块
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- 1.官方教程：
- 2.建立工程及代码：
- 3.修改主函数
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- 添加显示数据的代码：
- CRC校验：
- 4.电路连接：
- 5.实验效果：
- 五、总结
- 六、参考资料
一、任务目标
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）。
二、材料准备
硬件：
- STM32F103C8T6最小板
- CH340模块
- AHT20温湿度传感器
- 面包板
- 杜邦线
软件：
- Keil 5
- Flymcu
- 串口助手
三、I2C介绍
1.I2C通信
- I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
- 两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
- 同步，半双工
- 带数据应答
- 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）
2.硬件电路
- 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
- 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
- SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右
3.I2C时序基本单元
起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节
接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）
发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答
接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
4.I2C时序
指定地址写
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）
当前地址读
对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）
指定地址读
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）
5.硬件I2C与软件I2C
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硬件I2C是直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设，在初始化好 I2C 外设后，只需要把某寄存器位置 1，此时外设就会控制对应的 SCL 及 SDA 线自动产生 I2C 起始信号，不需要内核直接控制引脚的电平。
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软件I2C直接使用 CPU 内核按照 I2C 协议的要求控制 GPIO 输出高低电平，从而模拟I2C。
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区别：硬件I2C速度快，而软件I2C更灵活。
四、温湿度传感器模块
1.官方教程：
链接: AHT20 产品手册
2.建立工程及代码：
部分配置代码在这里下载,找到这个东西下载。
首先我们翻它的教程，找到下面这一页，这个可以便于我们理解它给的代码。
我们打开AHT20-21_DEMO_V1_3.c这个c程序，翻到最下面可以看到官方给的主函数的代码，对照着上面的图片看，我们就能知道每个函数大概是用来干什么的了。
int32_t main(void)
{
uint32_t CT_data[2];
volatile int c1,t1;
/***********************************************************************************/
/**///①刚上电，产品芯片内部就绪需要时间，延时100~500ms,建议500ms
/***********************************************************************************/
Delay_1ms(500);
/***********************************************************************************/
/**///②上电第一次发0x71读取状态字，判断状态字是否为0x18,如果不是0x18,进行寄存器初始化
/***********************************************************************************/
if((AHT20_Read_Status()&0x18)!=0x18)
{
AHT20_Start_Init(); //重新初始化寄存器
Delay_1ms(10);
}
/***********************************************************************************/
/**///③根据客户自己需求发测量命令读取温湿度数据，当前while（1）循环发测量命令读取温湿度数据，仅供参考
/***********************************************************************************/
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 推荐每隔大于1S读一次
//AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data); //crc校验后，读取AHT20的温度和湿度数据
c1 = CT_data[0]*100*10/1024/1024; //计算得到湿度值c1（放大了10倍）
t1 = CT_data[1]*200*10/1024/1024-500;//计算得到温度值t1（放大了10倍）
下一步客户处理显示数据，
}
}
但官方给的代码并不能完成我们的任务，我们还要自己添加一些东西，比如把拿到的数据通过串口传输给我们的电脑，这里给出代码：
#include "stm32f10x.h" // Serial.c
#include 以及它的头文件Serial.h
#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H
#include 延时函数Delay.c
#include "stm32f10x.h"
/**
* @brief 微秒级延时
* @param xus 延时时长，范围：0~233015
* @retval 无
*/
void Delay_us(uint32_t xus)
{
SysTick->LOAD = 72 * xus; //设置定时器重装值
SysTick->VAL = 0x00; //清空当前计数值
SysTick->CTRL = 0x00000005; //设置时钟源为HCLK，启动定时器
while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000)); //等待计数到0
SysTick->CTRL = 0x00000004; //关闭定时器
}
/**
* @brief 毫秒级延时
* @param xms 延时时长，范围：0~4294967295
* @retval 无
*/
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
while(xms--)
{
Delay_us(1000);
}
}
/**
* @brief 秒级延时
* @param xs 延时时长，范围：0~4294967295
* @retval 无
*/
void Delay_s(uint32_t xs)
{
while(xs--)
{
Delay_ms(1000);
}
}
其头文件Delay.h
#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H
void Delay_us(uint32_t us);
void Delay_ms(uint32_t ms);
void Delay_s(uint32_t s);
#endif
大概如下图
然后我们可以在主函数中添加初始化串口和SCL，SDA的函数，如果有warning，就看看是不是缺少头文件没加入，右键该函数，找到定义文件
Serial_Init();//串口
Init_I2C_Sensor_Port();//初始化SDA，SCL的IO口的函数
这个位置原本的程序是有错误的，我们改成下图的程序，
同时以下代码也需要更改，因为我们这里要用引脚B0和B1，这里我没有更改注释，方便找：
到这里引入的函数就完成了。
3.修改主函数
添加显示数据的代码：
（注意要把官方放大10倍的数缩小10倍）
char str1[5];
char str2[5];
sprintf(str1,"%3.1f",c1/10.0);
sprintf(str2,"%3.1f",t1/10.0);
Delay_1ms(2000);
Serial_SendString("湿度");
Serial_SendString(str1);
Serial_SendString("% ");
Serial_SendString("温度");
Serial_SendString(str2);
Serial_SendString("℃");
Serial_SendString("\r\n");
CRC校验：
我们可以看到，官方给的代码里有CRC校验的函数
AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data)
我们同样右键该函数，跳转到定义，可以发现如果没有通过校验传回的数据默认是0x00，那我们要进行校验，就是要在它错误的时候，重新执行该函数，再读取一次数据即可。
AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data); //crc校验后，读取AHT20的温度和湿度数据
while(CT_data[0]==0x00&&CT_data[1]==0x00)
{
AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data);
}
最终我们的主函数代码：
#include "stm32f10x.h"
#include "AHT20-21_DEMO_V1_3.h"
#include "Serial.h"
#include "stdio.h"
#include "Delay.h"
int main(void)
{
Serial_Init();//串口
Init_I2C_Sensor_Port();//初始化SDA，SCL的IO口的函数
uint32_t CT_data[2];
volatile int c1,t1;
/***********************************************************************************/
/**///①刚上电，产品芯片内部就绪需要时间，延时100~500ms,建议500ms
/***********************************************************************************/
Delay_1ms(500);
/***********************************************************************************/
/**///②上电第一次发0x71读取状态字，判断状态字是否为0x18,如果不是0x18,进行寄存器初始化
/***********************************************************************************/
if((AHT20_Read_Status()&0x18)!=0x18)
{
AHT20_Start_Init(); //重新初始化寄存器
Delay_1ms(10);
}
/***********************************************************************************/
/**///③根据客户自己需求发测量命令读取温湿度数据，当前while（1）循环发测量命令读取温湿度数据，仅供参考
/***********************************************************************************/
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 推荐每隔大于1S读一次
AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data); //crc校验后，读取AHT20的温度和湿度数据
while(CT_data[0]==0x00&&CT_data[1]==0x00)
{
AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data);
}
c1 = CT_data[0]*100*10/1024/1024; //计算得到湿度值c1（放大了10倍）
t1 = CT_data[1]*200*10/1024/1024-500;//计算得到温度值t1（放大了10倍）
下一步客户处理显示数据，我们这里用两个字符串来表示计算得到的值
char str1[5];
char str2[5];
sprintf(str1,"%3.1f",c1/10.0);
sprintf(str2,"%3.1f",t1/10.0);
Delay_1ms(2000);
Serial_SendString("湿度");
Serial_SendString(str1);
Serial_SendString("% ");
Serial_SendString("温度");
Serial_SendString(str2);
Serial_SendString("℃");
Serial_SendString("\r\n");
}
}
4.电路连接：
我这里使用的是ST-Link，接线稍微麻烦点，B1接管脚2，B0接管脚4，下图可以无视OLED接线
图片来源：江科大自化协
5.实验效果：
可能会有显示中文乱码的问题，可以用记事本打开main.c文件，然后另存为编码为ANSI的文件，再编译运行即可。这里我们可以看到，当我把手靠近传感器时（我的手上有点汗），湿度明显变高了，温度也有改变。
五、总结
本次实验我完成了用AHT20传感器收集温度、湿度的数据并发送到电脑的实验。主要了解了一些I2C的知识，结合代码和手册让我对I2C通信的印象更深刻了。中途有的时候一直都读取不出来信息，以为是传感器坏了，不了解协议的话调试都无从下手，后来逐渐理解了一些代码，才读取到了信息，完成了实验。
六、参考资料
《AHT20产品手册》
stm32通过I2C接口实现温湿度（AHT20）的采集