TM32F103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 2025-05-07 09:19:29 发布

原创最新推荐文章于 2025-05-07 09:19:29 发布 · 158 阅读

0 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#单片机 #嵌入式硬件

本文介绍了I2C总线协议，特别是其在STM32微控制器上的应用，详细讲解了如何通过软件和硬件方式实现与AHT20温湿度传感器的数据采集，并展示了在实际环境监测系统中的应用案例。

一、了解I2C总线协议

1、I2C介绍

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由NXP（原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。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，高速IIC总线一般可达400kbps 以上。

注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI
I²C最重要的功能包括：

只需要两条总线；
没有严格的波特率要求，例如使用RS232，主设备生成总线时钟；
所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址；
I²C是真正的多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测；
传输速度；
标准模式：Standard Mode = 100 Kbps
快速模式：Fast Mode = 400 Kbps
高速模式： High speed mode = 3.4 Mbps
超快速模式： Ultra fast mode = 5 Mbps
最大主设备数：无限制；
最大从机数：理论上是127。

2、I2C物理层

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，SCL和SDA被上拉电阻Rp拉高，使SDA和SCL线都保持高电平。

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通信为全双工。
主机和从机的概念：

主机就是负责整个系统的任务协调与分配，从机一般是通过接收主机的指令从而完成某些特定的任务，主机和从机之间通过总线连接，进行数据通讯。

3、I2C协议层

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，结束传送数据。
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。

4、软件IIC和硬件IIC

IIC分为软件IIC和硬件IIC

软件IIC 软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。

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。
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。

硬件IIC：一块硬件电路，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，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。

直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设。
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。

硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。

二、实现AHT20采集程序

1.配置

通过CubeMX配置好对应引脚以及串口
在这里插入图片描述

2.代码

在奥松官网下载AHT20芯片代码
http://www.aosong.com/class-36-2.html
官方代码使用的是PB14,PB15引脚需要修改对应的引脚才可以正常使用
main函数代码

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>&copy; Copyright (c) 2021 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the "License"; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

#include<stdio.h>
#include "AHT20-21_DEMO_V1_3.h" 

void SystemClock_Config(void);


int fputc(int ch,FILE *f)
 
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,0xFFFF);    
		//等待发送结束	
		while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET){
		}		

    return ch;
}



int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
	uint32_t CT_data[2]={0,0};
	volatile int  c1,t1;
	
	Delay_1ms(500);

	HAL_Init();

	SystemClock_Config();

	MX_GPIO_Init();
	MX_DMA_Init();
	MX_USART1_UART_Init();
	
	//初始化AHT20
	AHT20_Init();
	Delay_1ms(500);

  while (1)
  { 
    /* USER CODE END WHILE */
		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]*1000/1024/1024;  //计算得到湿度值c1（放大了10倍）
		t1 = CT_data[1]*2000/1024/1024-500;//计算得到温度值t1（放大了10倍）
		printf("正在检测");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		printf("\r\n");
		HAL_Delay(1000);
		printf("温度:%d%d.%d",t1/100,(t1/10)%10,t1%10);
		printf("湿度:%d%d.%d",c1/100,(c1/10)%10,c1%10);
		printf("\r\n");
		printf("等待");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		HAL_Delay(100);
		printf(".");
		printf("\r\n");
		HAL_Delay(1000);
  /* USER CODE END 3 */
	}
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

3.结果

while循环没两秒左右读取一次温湿度并且通过串口打印
在这里插入图片描述

三、总结

在TM32F103微控制器上，通过I2C协议与AHT20温湿度传感器的顺利通信，实现了高效的数据采集。通过正确连接硬件并配置适当的开发环境，我们成功读取了AHT20传感器提供的温湿度信息。此成果为环境监测与控制系统的设计提供了可靠的基础。通过采用AHT20的数字式传感技术，我们获得了准确的温湿度数据，为实时监测和系统反馈提供了可靠支持。这项实验展示了TM32F103和AHT20的协同工作，为各种应用场景中的精准温湿度监测打下了坚实的基础。