STM32F103完成基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集

最新推荐文章于 2024-10-19 10:22:42 发布

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#stm32 #单片机

一、I2C总线通讯协议

1.I2C总线简介

I2C是Inter-Integrated Circuit的简称，读作：I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。

I2C总线是一种双向的同步串行总线，它支持设备之间的短距离通信，经常用于处理器和一些外围设备之间的接口通信。I2C总线的标准通信速率是100Kbps，快速模式是400Kbps，高速模式支持3.4Mbps。I2C总线支持多设备的通信，而且各个设备之间的SCL和SDA线都是线与关系。I2C总线上扩展的器件的数量主要由电容负载来决定，其负载能力为400pF。I2C总线具有极低的电流消耗。

2.I2C 协议的物理层和协议层

2.1物理层

I2C总线物理层由两根线组成：串行时钟线SCL、串行数据线SDA。由于这两根线都是开漏输出结构，因此必须都接上拉电阻到高电平，因此当总线处于空闲状态时，两根线都处于高电平状态。下图为I2C总线的物理层示意图。

在这里插入图片描述
I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，485也为半双工，SPI和uart为双工。

在这里插入图片描述

2.2协议层

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的设备地址。通常的我们将CPU模块作为主设备，而挂接在总线上的其他设备作为从设备。I2C总线上的主设备与从设备之间以8字节为单位进行双向数据传输，并且每个单位后还须跟着一位ACK位。其中数据在SCL处于低电平时被放到SDA数据线上，在SCL处于高电平时进行数据的采样。下图是I2C总线的数据传输协议时序图。

在这里插入图片描述
由图可知，I2C总线的传输时序包括：开始条件、地址帧、数据帧、停止条件、重复开始条件。

开始条件：标识传输正式开始，当SCL处于高电平时，SDA由高电平变为低电平。这样所有Slave设备都会知道传输已经开始。

地址帧：地址帧总是在一次通信的最开始出现，通常包括7位的设备地址(MSB)和最后1位的读写控制位(1表示读，0表示写)。接下来是1位的NACK/ACK，当这8位地址发送完成后，Slave设备获得SDA的控制权，此时Slave设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个**ACK(将SDA拉低)**以表示数据接收正常，否则表示数据接受失败，控制权交由Master设备处理。

数据帧：在地址帧发送之后，就可以开始传送数据了。每个数据帧8位，数据帧的数量可以是任意的，直到产生停止条件。每一个8位数据传输完成之后，接收方就需要回复一个ACK/NACK。

停止条件：当所有数据都发送完成时，当SCL处于高电平时，SDA由低电平变为高电平。除了开始条件和停止条件，在正常的数据传输过程中，当SCL处于高电平时，SDA上的值不能变化，否则会意外产生停止条件。
在这里插入图片描述

重复开始条件：有时Master设备需要在一次通信中进行多次消息交换(例如切换读写操作等)，并且不希望其他Master设备干扰，这时可以使用重复开始条件。再一次通信中，Master设备可以产生多次开始条件来完成多次信息交换，最后在产生一个停止条件结束整个通信过程。

应答信号

主设备每发送完8bit数据后等待从设备的ACK，即在第9个clk，读取到SDA低电平为有效;主设备把clk拉低，并将sda换成输入模式（上拉电阻，默认高电平）读取第9位，clk再次拉高，读取从设备发来的ACK。这里又分两种情况：

1.写操作：主设备把clk拉高，等待读取ACK，从设备发现clk拉高后，就把sda拉低，告诉主设备，成功接收到8位数据。

2.读操作：主设备发送芯片地址和寄存器地址，这两个字节的ACK都是由从设备来拉低，同写操作;从设备开始向从设备发送数据，clk为低时，sda变化，主设备clk拉高时读取sda，ACK由主设备拉低;当从设备发送完一个字节后，主设备强制把ACK拉高，通知从设备不要需要再发了，从设备发现这个ACK没有被拉低，认为主设备接收错误，也就结束发送了，当然从设备自己也知道这是一个字节。
在这里插入图片描述

3.I2C的两种方式——硬件I2C和软件I2C

3.1硬件I2C

硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应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；一般也较为稳定，但是程序较为繁琐。硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置；而软件I2C是没有寄存器这个概念的。

硬件I2C的使用
只要配置好对应的寄存器，外设就会产生标准串口协议的时序。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。

3.2软件I2C

软件I2C一般是使用GPIO管脚，用软件控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。

软件I2C的使用
需要在控制产生 I2C 的起始信号时，控制作为 SCL 线的 GPIO 引脚输出高电平，然后控制作为 SDA 线的 GPIO 引脚在此期间完成由高电平至低电平的切换，最后再控制SCL 线切换为低电平，这样就输出了一个标准的 I2C 起始信号。

3.3两者区别

硬件 I2C 直接使用外设来控制引脚，可以减轻 CPU 的负担。不过使用硬件I2C 时必须使用某些固定的引脚作为 SCL 和 SDA，软件模拟 I2C 则可以使用任意 GPIO 引脚，相对比较灵活。对于硬件I2C用法比较复杂，软件I2C的流程更清楚一些。如果要详细了解I2C的协议，使用软件I2C可能更好的理解这个过程。在使用I2C过程，硬件I2C可能通信更加快，更加稳定。

二、AHT20温湿度传感器

1.外观

在这里插入图片描述

2.原理图

在这里插入图片描述

3.引脚说明

6根引脚，名称与功能如下;
NC 保持悬空
vdd 为外接供电电源输入端
GND 地线
SCL I2C通信模式时钟信号,双向
SDA I2C通信模式数据信号，双向
NC 保持悬空

4.温湿度测量范围

在这里插入图片描述

5.优点

高精度，完全校准
极高的可靠性与卓越的长期稳定性（较上一代aht10有极大的提升）
抗干扰能力强
性价比极高
适用于恶劣的环境条件下

三、实现AHT20采集程序

1.题目要求

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）。

2.编写代码

在野火提供的示例代码中，打开一个只包含固件库的空项目。向工程中添加相关代码：

主函数代码如下：
main.c：

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


int main(void)
{
   
   	
	delay_init();     //延时函数  
	uart_init(115200);	 //uart函数设置波特率问115200
	IIC_Init();
		while(1)
	{
   
   
		printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(2000);
  }
}

如图在main函数中调用了delay.h延时函数，usart.h通用同步/异步串行接收/发送函数，在主函数体中进行调用两个函数，在while循环体中循环输出“温度湿度显示”，然后读取AHT20传感器一次，接下来延时2000ms就是2s，所以这里关键点就是这个AHT20的内容，我们接下来会说明。

然后将如下函数放在main函数同一目录文件下：

usart.c：

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


//STM32F103o?D?°?ày3ì
//?aoˉêy°?±?ày3ì
/********** mcudev.taobao.com 3??·  ********/


// 	 
//è?1?ê1ó?ucos,?ò°üà¨????μ?í·???t?′?é.
#if SYSTEM_SUPPORT_UCOS
#include "includes.h"					//ucos ê1ó?	  
#endif
//	 
//STM32?a·￠°?
//′??ú13?ê??ˉ		   

// 	  
 

//
//?óè?ò???′ú??,?§3?printfoˉêy,??2?Dèòa????use MicroLIB	  
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)             
//±ê×??aDèòaμ??§3?oˉêy                 
struct __FILE 
{
   
    
	int handle; 

}; 

FILE __stdout;       
//?¨ò?_sys_exit()ò?±ü?aê1ó?°??÷?ú?￡ê?    
void _sys_exit(int x) 
{
   
    
	x = x; 
} 
//???¨ò?fputcoˉêy 
int fputc(int ch, FILE *f)
{
   
         
	while((USART1->SR&0X40)==0);//?-?··￠?í,?±μ?·￠?ííê±?   
    USART1->DR = (u8) ch;      
	return ch;
}
#endif 

/*ê1ó?microLibμ?·?·¨*/
 /* 
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   //è?1?ê1?üá??óê?
//′??ú1?D??·t??3ìDò
//×￠òa,?áè?USARTx->SR?ü±ü?a?a??????μ?′í?ó   	
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN];     //?óê??o3?,×?′óUSART_REC_LEN??×??ú.
//?óê?×′ì?
//bit15￡?	?óê?íê3é±ê??
//bit14￡?	?óê?μ?0x0d
//bit13~0￡?	?óê?μ?μ?óDD§×??úêy??
u16 USART_RX_STA=0;       //?óê?×′ì?±ê??	  
  
void uart_init(u32 bound){
   
   
    //GPIO???úéè??
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//ê1?üUSART1￡?GPIOAê±?ó
     //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;	//?′ó?í?íìê?3?
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   
    //USART1_RX	  PA.10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//????ê?è?
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  

   //Usart1 NVIC ????

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//?à??ó??è??3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//×óó??è??3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQí¨μàê1?ü
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//?ù?Y???¨μ?2?êy3?ê??ˉVIC??′??÷
  
   //USART 3?ê??ˉéè??

	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//ò?°?éè???a9600;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//×?3¤?a8??êy?Y??ê?
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//ò???í￡?1??
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//?T????D￡?é??
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//?Tó2?têy?Yá÷????
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//ê?·￠?￡ê?

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //3?ê??ˉ′??ú
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//?a???D??
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //ê1?ü′??ú 

}



void USART1_IRQHandler(void)                	//′??ú1?D??·t??3ìDò
	{
   
   
	u8 Res;
#ifdef OS_TICKS_PER_SEC	 	//è?1?ê±?ó?ú??êy?¨ò?á?,?μ?÷òaê1ó?ucosIIá?.
	OSIntEnter();    
#endif
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //?óê??D??(?óê?μ?μ?êy?Y±?D?ê?0x0d 0x0a?á?2)
		{
   
   
		Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR);	//?áè??óê?μ?μ?êy?Y
		
		if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//?óê??′íê3é
			{
   
   
			if(USART_RX_STA&0x4000)//?óê?μ?á?0x0d
				{
   
   
				if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//?óê?′í?ó,??D??aê?
				else USART_RX_STA|=0x8000;	//?óê?íê3éá? 
				}
			else //?1??ê?μ?0X0D
				{
   
   	
				if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
				else
					{
   
   
					USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
					USART_RX_STA++;
					if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//?óê?êy?Y′í?ó,??D??aê??óê?	  
					}		 
				}
			}   		 
     } 
#ifdef OS_TICKS_PER_SEC	 	//è?1?ê±?ó?ú??êy?¨ò?á?,?μ?÷òaê1ó?ucosIIá?.
	OSIntExit();  											 
#endif
} 
#endif

我们看到这里调用了usart.h和sys.h文件，所以我们接下来还要编写这两个代码：

usart.h：

#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"	
#include "sys.h" 

//STM32F103o?D?°?ày3ì
//?aoˉêy°?±?ày3ì
/********** mcudev.taobao.com 3??·  ********/

//	 
//STM32?a·￠°?
//′??ú13?ê??ˉ		   

#define USART_REC_LEN  			200  	//?¨ò?×?′ó?óê?×??úêy 200
#define EN_USART1_RX 			1		    //ê1?ü￡¨1￡?/???1￡¨0￡?′??ú1?óê?
	  	
extern u8  USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //?óê??o3?,×?′óUSART_REC_LEN??×??ú.??×??ú?a??DD·? 
extern u16 USART_RX_STA;         		//?óê?×′ì?±ê??	
//è?1???′??ú?D???óê?￡???2?òa×￠êíò???oê?¨ò?
void uart_init(u32 bound);
#endif

sys.c：

#include "sys.h"


//STM32F103o?D?°?ày3ì
//?aoˉêy°?±?ày3ì
/********** mcudev.taobao.com 3??·  ********/

//	 

//STM32?a·￠°?
//?μí3?D??·?×ééè???ˉ		   

//********************************************************************************  
void NVIC_Configuration(void)
{
   
   

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);	//éè??NVIC?D??·?×é2:2???à??ó??è??￡?2???ìó|ó??è??

}

sys.h：

#ifndef __SYS_H
#define __SYS_H	
#include "stm32f10x.h"
//	 


//STM32F103o?D?°?ày3ì
//?aoˉêy°?±?ày3ì
/********** mcudev.taobao.com 3??·  ********/



// 	 

//0,2??§3?ucos
//1,?§3?ucos
#define SYSTEM_SUPPORT_UCOS		0		//?¨ò??μí3???t?Dê?·??§3?UCOS
																	    
	 
//??′?2ù×÷,êμ??51àà??μ?GPIO????1|?ü
//??ì?êμ??????,2???<<CM3è¨ít????>>μú????(87ò3~92ò3).
//IO?ú2ù×÷oê?¨ò?
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2)) 
#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr)) 
#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) 
//IO?úμ??·ó3é?
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C 
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C 
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C 
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C 
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C 
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C    
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE

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STM32F103完成基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集

文章目录

一、I2C总线通讯协议

1.I2C总线简介

2.I2C 协议的物理层和协议层

2.1物理层

2.2协议层

3.I2C的两种方式——硬件I2C和软件I2C

3.1硬件I2C

3.2软件I2C

3.3两者区别

二、AHT20温湿度传感器

1.外观

2.原理图

3.引脚说明

4.温湿度测量范围

5.优点

三、实现AHT20采集程序

1.题目要求

2.编写代码