基于I2C硬件协议的AHT20温湿度传感器的数据采集

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

一、I2C通信协议

1. I2C协议简介

IC( Inter-- Integrated Circuit）总线是一种由 PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
在CPU与被控I2C之间、I2C与I2C之间进行双向传送，高速IC总线一般可达400kbps以上。 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结東传送数据。
应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接
收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为 受控单元出现故障。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

2. I2C总线特点

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。
一条 I2C 总线只使用两条总线线路，分别是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即都输出高阻态时，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。
具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 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。
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工作原理

I2C通信过程
写数据
若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，主机广播完地址并且接收到应答信号后，就正式向从机传输一个字节的数据，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号§，表示不再传输数据。
读数据
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，主机广播完地址并且接收到应答信号后，就开始向主机返回一个字节的数据，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
读和写数据
除了基本的数据读写，I2C 通信更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从机设备后，发送一段表示从机设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。
I2C通信时序
开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的 IC 在接收到一个字节的数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。

二、硬件I2C与软件I2C

1.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。

2.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。

3.软硬I2C的比较

通信速度
相对来说，即使两者的通信速率设置成相等时，硬件I2C的通信速度要比软件I2C的速度要快。因为硬件I2C是通过片上外设实现的通信，CPU只需要去读写寄存器数据就可以进行I2C通信，程序较为简单并且占用的资源少。而软件I2C则需要程序模拟I2C时序，程序较为复杂且占用资源较多。
可移植性
对于硬件I2C来说，由于芯片I2C外设的IO口已经确定，无法随意更改其他IO口，因而可移植性较差；但是由于软件I2C是通过IO口模拟I2C通信时序实现的通信，因而可移植性比较好，在任何单片机上都可以使用，只需要修改一下通信时间以及配置好IO口就可以实现I2C通信。
稳定性
一般来说，软件模拟I2C稳定性要比硬件I2C更加稳定，硬件I2C不稳定，容易卡死，想要写得稳定程序就非常复杂；但是软件I2C可能会因为中断的影响造成数据读取不准确。

三、实现I2CAHT20温湿度传感器的数据采集

1、连接硬件

AHT20的SCL，GND，SDA，VCC分别对应接stm32f103指南者i2c模块的B6，GND，B7，5V。（GND和5V任意模块都可以）

2、代码实现

打开野火自带例程

测温湿度函数计算代码：

void read_AHT20(void)
{
   
   
	uint8_t   i;

	for(i=0; i<6; i++)
	{
   
   
		readByte[i]=0;
	}

	//-------------
	I2C_Start();

	I2C_WriteByte(0x71);
	ack_status = Receive_ACK();
	readByte[0]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	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();

	//--------------
	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("失败了");

	}
	printf("\r\n");
	printf("当前温度为: %d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);
	printf("\r\n");
	printf("当前湿度为: %d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);
	printf("\r\n");
}

将它原来带有的main.c函数删掉并移除，然后重新添加main.c
main.c文件源码：

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


int main(void)
{
   
   	
	delay_init();    
	uart_init(115200);	 
	IIC_Init();
		while(1)
	{
   
   
		printf("野火STM32指南者基于I2C协议的AHT20温湿度传感器开始测量：");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(1500);
  }
}

将以下代码文件和main.c放到同一个路径下

usart.c

#include "sys.h"
#include "usart.h"


//STM32F103ºËÐÄ°åÀý³Ì
//¿âº¯Êý°æ±¾Àý³Ì
/********** mcudev.taobao.com ³öÆ·  ********/


// 	 
//Èç¹ûʹÓÃucos,Ôò°üÀ¨ÏÂÃæµÄÍ·Îļþ¼´¿É.
#if SYSTEM_SUPPORT_UCOS
#include "includes.h"					//ucos ʹÓÃ	  
#endif
//	 
//STM32¿ª·¢°å
//´®¿Ú1³õʼ»¯		   

// 	  
//
//¼ÓÈëÒÔÏ´úÂë,Ö§³Öprintfº¯Êý,¶ø²»ÐèҪѡÔñuse MicroLIB	  
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)             
//±ê×¼¿âÐèÒªµÄÖ§³Öº¯Êý                 
struct __FILE 
{
   
    
	int handle; 

}; 

FILE __stdout;       
//¶¨Òå_sys_exit()ÒÔ±ÜÃâʹÓðëÖ÷»úģʽ    
void _sys_exit(int x) 
{
   
    
	x = x; 
} 
//Öض¨Òåfputcº¯Êý 
int fputc(int ch, FILE *f)
{
   
         
	while((USART1->SR&0X40)==0);//Ñ­»··¢ËÍ,Ö±µ½·¢ËÍÍê±Ï   
    USART1->DR = (u8) ch;      
	return ch;
}
#endif 

/*ʹÓÃmicroLibµÄ·½·¨*/
 /* 
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);

	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET) {}	
   
    return ch;
}
int GetKey (void)  { 

    while (!(USART1->SR & USART_FLAG_RXNE));

    return ((int)(USART1->DR & 0x1FF));
}
*/
 
#if EN_USART1_RX   //Èç¹ûʹÄÜÁ˽ÓÊÕ
//´®¿Ú1ÖжϷþÎñ³ÌÐò
//×¢Òâ,¶ÁÈ¡USARTx->SRÄܱÜÃâĪÃûÆäÃîµÄ´íÎó   	
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN];     //½ÓÊÕ»º³å,×î´óUSART_REC_LEN¸ö×Ö½Ú.
//½ÓÊÕ״̬
//bit15£¬	½ÓÊÕÍê³É±êÖ¾
//bit14£¬	½ÓÊÕµ½0x0d
//bit13~0£¬	½ÓÊÕµ½µÄÓÐЧ×Ö½ÚÊýÄ¿
u16 USART_RX_STA=0;       //½ÓÊÕ״̬±ê¼Ç	  
  
void uart_init(u32 bound){
   
   
    //GPIO¶Ë¿ÚÉèÖÃ
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//ʹÄÜUSART1£¬GPIOAʱÖÓ
     //USART1_TX   PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//¸´ÓÃÍÆÍìÊä³ö
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   
    //USART1_RX	  PA.10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//¸¡¿ÕÊäÈë
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  

   //Usart1 NVIC ÅäÖÃ

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//ÇÀÕ¼ÓÅÏȼ¶3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//×ÓÓÅÏȼ¶3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQͨµÀʹÄÜ
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//¸ù¾ÝÖ¸¶¨µÄ²ÎÊý³õʼ»¯VIC¼Ä´æÆ÷
  
   //USART ³õʼ»¯ÉèÖÃ

	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//Ò»°ãÉèÖÃΪ9600;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//×Ö³¤Îª8λÊý¾Ý¸ñʽ
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//Ò»¸öֹͣλ
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//ÎÞÆæżУÑéλ
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//ÎÞÓ²¼þÊý¾ÝÁ÷¿ØÖÆ
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//ÊÕ·¢Ä£Ê½

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //³õʼ»¯´®¿Ú
    USART_ITConfig(