IIC协议采集温湿度

原创 于 2023-11-14 23:41:42 发布 · 149 阅读 · 1 ·
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#stm32 #嵌入式硬件

目录

一、 任务

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、 准备工作

① stm32F103c8t6
② AHT20温湿度传感器
③ TTL转串口
④ AHT20封装函数
可以使用以下代码：
AHT20.h

// #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_ */

ATH20.c

#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;
}

三、 问题解决

Ⅰ 了解I2C总线协议

① 什么是I2C协议

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

② I2C协议的物理层和协议层

  1. 物理层
    I2C是一个支持设备的总线。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。对于I2C 总线，只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。
    I2C 通讯设备常用连接方式（引用野火资料中的图）
    在这里插入图片描述
  2. 协议层

主要是定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等。

通讯的起始和停止信号
在这里插入图片描述
数据有效性
在这里插入图片描述
从图中可以看出I2C在通讯的时候，只有在SCL处于高电平时，SDA的数据传输才是有效的。SDA 信号线是用于传输数据，SCL 信号线是保证数据同步。
响应
在这里插入图片描述
当SDA传输数据后，接收方对接受到的数据进行一个应答。如果希望继续进行传输数据，则回应应答信号（低电平），否则回应非应答信号（高电平）。

③ I2C的两种方式——硬件I2C和软件I2C

  1. 硬件I2C
    直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设。

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。

  1. 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。

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。

  1. 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。

Ⅱ 通过AHT20采集温湿度数据

① 新建工程

  1. 打开cubeMX，新建工程，选择F103c8t6:

在这里插入图片描述
2. 在SYS里面选择

在这里插入图片描述
3. 选择串口 通信

在这里插入图片描述
4. 选择I2C
在这里插入图片描述
可以看到I2C对应的管脚
5. 做好项目配置
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
6. 生成项目
在这里插入图片描述
也可以在I2C.c里面看到管脚配置
在这里插入图片描述
关于mdk的其余基础设置省略，于平时烧录时设置一致就行

② 编辑项目

  1. 新建ATH.h和ATH.c（代码在最开头）
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  2. 添加至勾选文件夹（添加c即可，但是要让ATH.H与ATH.c于同一文件夹）

在这里插入图片描述
3. 编写main.c

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_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
 if(AHT20_Init() != 0)
  {
    Humiture.alive = 0;
		HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)"AHT20 Initialization failed\n",strlen("AHT20 Initialization failed\n"),0xFFFF);
  }
  else
  {
    Humiture.alive = 1;
		HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)"AHT20 Initialization succeeded\n",strlen("AHT20 Initialization succeeded\n"),0xFFFF);
  }  
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    AHT20_Get_Value(&Humiture);
    
    sprintf(temp_buffer, "environment temperature is : %.2f;\nenvironment humidity is : %.2f\n",Humiture.Temp, Humiture.RH);
    HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)temp_buffer,strlen(temp_buffer),0xFFFF);
    HAL_Delay(2000);

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

③ 编译烧录

连接配置：
首先了解AHT20的管脚

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
依据上图进行连接

结果：
在这里插入图片描述

四、 学习总结

学习I2C总线通信协议，并在STM32F103微控制器上完成基于I2C协议的AHT20温湿度传感器数据采集以及通过串口输出的任务，让我对嵌入式系统开发有了更深刻的理解。

首先，软件I2C和硬件I2C是两种实现I2C通信协议的方式。软件I2C通过软件模拟I2C协议，适用于一些不支持硬件I2C的情况，但速度较慢。硬件I2C则是使用微控制器内置的硬件模块来直接处理I2C通信，速度更快且占用更少的处理器资源。

在实际操作中，通过阅读AHT20数据手册，我学会了如何配置STM32F103的I2C硬件模块，设置AHT20传感器的地址和寄存器，以及如何周期性地获取温湿度数据。使用串口输出将数据发送到上位机，我成功地实现了数据的可视化监测。

这次学习让我深入了解了I2C通信协议、传感器配置和STM32F103的相关编程技巧。通过不断调试和优化，我更加熟悉了嵌入式系统开发的工作流程，同时也提高了解决实际问题的能力。这是一次实践性很强的学习过程，为我今后在嵌入式系统领域的发展打下了坚实的基础。

参考链接:
[1]https://blog.youkuaiyun.com/qq_43279579/article/details/111597278
[2]https://blog.youkuaiyun.com/zhengwenbang/article/details/124285882

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