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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
- 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)
- 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
数据有效性
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
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
- 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。
- 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。
- 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
- 打开cubeMX,新建工程,选择F103c8t6:
2. 在SYS里面选择
3. 选择串口 通信
4. 选择I2C
可以看到I2C对应的管脚
5. 做好项目配置
6. 生成项目
也可以在I2C.c里面看到管脚配置
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
- 新建ATH.h和ATH.c(代码在最开头)
- 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)
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
依据上图进行连接
结果:
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