【嵌入式开发学习】第8天：I2C 传感器驱动 + 完整项目整合（温湿度采集系统）

核心目标：掌握 I2C 通信原理，驱动真实 I2C 温湿度传感器（AHT10），整合前 7 天知识点（GPIO、定时器、串口、中断、函数封装），实现 “定时采集温湿度 + 串口上传数据 + 电脑指令控制采集频率” 的完整嵌入式系统 —— 这是从 “零散知识点” 到 “实际应用” 的关键跨越。

一、I2C 通信原理：嵌入式 “多设备互联” 的常用接口（30 分钟）

I2C（Inter-Integrated Circuit）是两线制同步通信接口，仅需 SCL（时钟线）和 SDA（数据线）就能实现多设备通信，核心优势是 “布线简单、支持多从机”，广泛用于传感器、EEPROM 等外设。

1. 核心概念（新手必懂）

通信线：SCL（Serial Clock，时钟线，主机输出时钟）、SDA（Serial Data，数据线，双向传输数据）；
主从结构：STM32 作为 “主机”，传感器（AHT10）作为 “从机”，主机控制通信节奏；
从机地址：每个 I2C 从机有唯一地址（AHT10 默认地址 0x38），主机通过地址识别要通信的设备；
STM32 引脚对应（F103C8T6）：I2C1 的 SCL=PB6，SDA=PB7（需配置为 I2C 功能，开启上拉电阻）。

2. HAL 库 I2C 核心函数（重点记）

主机发送数据：HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 从机地址, 发送缓冲区, 数据长度, 超时时间);
主机接收数据：HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 从机地址, 接收缓冲区, 数据长度, 超时时间);
传感器初始化：通过 I2C 发送 “初始化指令”，让传感器进入工作模式（不同传感器指令不同，参考 datasheet）。

3. 嵌入式场景意义

I2C 是传感器通信的 “主流接口”（比 SPI 布线少，比单总线稳定），学会 I2C 驱动后，可快速适配大多数温湿度、光照、气压传感器，是嵌入式外设开发的核心技能。

二、硬件准备（实操基础）

核心硬件：STM32F103C8T6 开发板、AHT10 温湿度传感器模块、USB-TTL 模块、杜邦线；
接线方式（I2C1 通信）：
- AHT10 VCC → 开发板 3.3V（务必接 3.3V，接 5V 会烧毁传感器）；
- AHT10 GND → 开发板 GND；
- AHT10 SCL → 开发板 PB6（I2C1_SCL）；
- AHT10 SDA → 开发板 PB7（I2C1_SDA）；
串口接线（同第七天）：开发板 PA9→TTL Tx，PA10→TTL Rx，GND→GND（用于数据上传和指令接收）。

三、实操：完整温湿度采集系统（70 分钟，核心整合）

目标：开发板通过 I2C 驱动 AHT10 采集温湿度，1 秒采集一次（定时器控制），串口上传数据到电脑；电脑发送指令 “F5”（500ms 采集一次）、“F10”（1 秒）、“F20”（2 秒），可修改采集频率。

步骤 1：CubeIDE 配置（I2C + 定时器 + 串口 + GPIO）

新建工程 “AHT10_TempHumi_System”，选择 STM32F103C8T6；
配置 I2C1：
- 左侧 “Connectivity→I2C1”：Mode 选 “I2C”；
- 参数默认：时钟频率 100kHz（标准模式），其他保持默认；
- 配置引脚：PB6 设为 “I2C1_SCL”，PB7 设为 “I2C1_SDA”（CubeIDE 自动开启上拉电阻）；
配置串口 USART1（同第七天）：异步模式，波特率 9600，PA9=TX，PA10=RX；
配置定时器 TIM3（定时核心）：
- 预分频器 7199、自动重载值 9999（默认 1 秒中断一次，后续通过指令修改 ARR 实现频率切换）；
- 使能 TIM3 中断；
生成初始化代码。

步骤 2：编写 AHT10 传感器驱动（封装读取逻辑）

在main.c的 “USER CODE BEGIN 0” 区域添加传感器驱动函数（基于 AHT10 datasheet 指令）：

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <string.h>

// AHT10传感器地址（默认0x38，7位地址）
#define AHT10_ADDR 0x38<<1  // I2C通信时需左移1位（8位数据格式，最低位是读写位）

// AHT10初始化指令（参考datasheet）
#define AHT10_INIT_CMD 0xE1  // 初始化+正常模式
// AHT10采集指令
#define AHT10_MEASURE_CMD 0xAC  // 触发温湿度采集

// 全局变量：存储温湿度数据
float temperature = 0.0;  // 温度（℃）
float humidity = 0.0;     // 湿度（%RH）

// 函数1：AHT10初始化
uint8_t AHT10_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
  uint8_t init_buf[3] = {AHT10_INIT_CMD, 0x00, 0x00};  // 初始化指令+参数
  // 发送初始化指令（主机→AHT10）
  if (HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, AHT10_ADDR, init_buf, 3, 100) != HAL_OK) {
    return 1;  // 初始化失败
  }
  HAL_Delay(10);  // 传感器初始化需要时间
  return 0;  // 初始化成功
}

// 函数2：读取AHT10温湿度数据
uint8_t AHT10_ReadData(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
  uint8_t measure_buf[3] = {AHT10_MEASURE_CMD, 0x33, 0x00};  // 采集指令+参数
  uint8_t recv_buf[6] = {0};  // 接收缓冲区（AHT10返回6字节数据）
  
  // 1. 发送采集指令
  if (HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, AHT10_ADDR, measure_buf, 3, 100) != HAL_OK) {
    return 1;  // 指令发送失败
  }
  HAL_Delay(80);  // 传感器采集需要时间（ datasheet 要求≥75ms）
  
  // 2. 接收采集结果（6字节数据）
  if (HAL_I2C_Master_Receive(hi2c, AHT10_ADDR, recv_buf, 6, 100) != HAL_OK) {
    return 1;  // 数据接收失败
  }
  
  // 3. 解析数据（根据AHT10 datasheet的格式换算）
  // 湿度数据：recv_buf[1]<<12 | recv_buf[2]<<4 | (recv_buf[3]&0xF0)>>4
  uint32_t humi_raw = (recv_buf[1] << 12) | (recv_buf[2] << 4) | ((recv_buf[3] & 0xF0) >> 4);
  humidity = (humi_raw / 1048576.0) * 100.0;  // 换算为湿度（0-100%RH）
  
  // 温度数据：(recv_buf[3]&0x0F)<<16 | recv_buf[4]<<8 | recv_buf[5]
  uint32_t temp_raw = ((recv_buf[3] & 0x0F) << 16) | (recv_buf[4] << 8) | recv_buf[5];
  temperature = (temp_raw / 1048576.0) * 200.0 - 50.0;  // 换算为温度（-40~85℃）
  
  return 0;  // 读取成功
}
/* USER CODE END 0 */

步骤 3：编写系统核心逻辑（定时采集 + 串口上传 + 指令控制）

定义全局变量（main.c的 “USER CODE BEGIN 2” 区域）：

/* USER CODE BEGIN 2 */
uint32_t timer_count = 0;  // 定时器计数
uint16_t arr_val = 9999;   // TIM3自动重载值（默认1秒：(7199+1)*(9999+1)/72e6=1s）
uint8_t recv_buf[10] = {0};  // 串口接收缓冲区（存储电脑指令）
uint8_t send_buf[60] = {0};  // 串口发送缓冲区
/* USER CODE END 2 */

主函数初始化（main函数中）：

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_TIM3_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 1. 初始化AHT10传感器
  if (AHT10_Init(&hi2c1) == 0) {
    sprintf((char*)send_buf, "AHT10传感器初始化成功！\r\n");
    HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
  } else {
    sprintf((char*)send_buf, "AHT10传感器初始化失败！\r\n");
    HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
  }

  // 2. 启动定时器中断和串口中断接收
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, recv_buf, 3);  // 接收3字节指令（如F5\r、F10\r）

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

定时器中断回调（定时采集 + 串口上传）：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
  if (htim->Instance == TIM3) {
    // 1. 读取温湿度数据
    if (AHT10_ReadData(&hi2c1) == 0) {
      // 2. 格式化数据并串口上传
      sprintf((char*)send_buf, "温湿度数据：温度=%.1f℃，湿度=%.1f%%RH\r\n", temperature, humidity);
      HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
    } else {
      sprintf((char*)send_buf, "温湿度读取失败！\r\n");
      HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
    }
  }
}

串口中断回调（解析电脑指令，修改采集频率）：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if (huart->Instance == USART1) {
    // 解析指令：F5→500ms，F10→1s，F20→2s
    if (strcmp((char*)recv_buf, "F5\r") == 0) {
      arr_val = 4999;  // 500ms：(7199+1)*(4999+1)/72e6=0.5s
      sprintf((char*)send_buf, "采集频率已修改为500ms一次\r\n");
    } else if (strcmp((char*)recv_buf, "F10\r") == 0) {
      arr_val = 9999;  // 1s
      sprintf((char*)send_buf, "采集频率已修改为1s一次\r\n");
    } else if (strcmp((char*)recv_buf, "F20\r") == 0) {
      arr_val = 19999;  // 2s：(7199+1)*(19999+1)/72e6=2s
      sprintf((char*)send_buf, "采集频率已修改为2s一次\r\n");
    } else {
      sprintf((char*)send_buf, "指令错误！支持指令：F5（500ms）、F10（1s）、F20（2s）\r\n");
    }

    // 应用新的自动重载值（修改定时器定时时长）
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, arr_val);
    // 发送反馈信息
    HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
    // 清空接收缓冲区，重新开启中断接收
    memset(recv_buf, 0, sizeof(recv_buf));
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, recv_buf, 3);
  }
}

步骤 4：下载测试（完整系统验证）

电脑端打开串口助手，配置：波特率 9600、8N1、对应 COM 口；
下载程序后，串口助手收到初始化信息：AHT10传感器初始化成功！；
默认 1 秒收到一条温湿度数据：温湿度数据：温度=25.3℃，湿度=45.2%RH；
发送指令 “F5”（回车），收到反馈：采集频率已修改为500ms一次，数据上传频率加快；
发送指令 “F20”（回车），反馈：采集频率已修改为2s一次，数据上传频率变慢。

四、第八天必掌握的 3 个关键知识点（10 分钟自测）

I2C 通信核心：两线制（SCL/SDA）、主从结构、从机地址，HAL 库核心函数HAL_I2C_Master_Transmit/HAL_I2C_Master_Receive；
传感器驱动逻辑：“发送指令→等待采集→接收数据→解析换算”，必须参考 datasheet 的指令和数据格式；
系统整合思路：定时器控制采集周期、I2C 读取传感器、串口实现数据上传和指令交互，各模块通过全局变量和回调函数联动。

总结

今天完成了第一个 “完整嵌入式应用系统”！这个系统整合了前 8 天的所有核心知识点：GPIO（硬件接线）、I2C（传感器通信）、定时器（定时任务）、串口（双向交互）、中断（回调响应）、函数封装（传感器驱动）—— 这就是实际嵌入式项目的典型架构。