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【嵌入式15】I2C总线通信协议及实操stm32通过I2C实现温湿度（AHT20）采集

2021-11-20 14:31:06 作者：互联网

本文主要介绍I2C总线通信协议，并使用STM32基于I2C协议实现AHT20温湿度传感器上位机数据采集的实操

一、题目要求
二、I2C总线通信协议
三、STM32基于I2C协议的温湿度传感器的数据采集
四、总结

一、题目要求

1、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、I2C总线通信协议

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
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述

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。
发布主要命令的称为主机，接受命令的称为从机

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。

要学习更多关于I2C的介绍，可以参考以下两篇博客

[1] IIC原理超详细讲解—值得一看
[2] I2C协议靠这16张图彻底搞懂（超详细）

三、STM32基于I2C协议的温湿度传感器的数据采集

1、题目要求

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。

2、前期准备

温湿度传感器AHT20
串口调试助手

了解AHT20芯片的相关信息，具体信息请到官方下载对应产品介绍文档
资料链接：http://www.aosong.com/class-36.html

3、代码撰写

（1）AHT20芯片的使用过程 read_AHT20_once函数

void  read_AHT20_once(void)
{
	delay_ms(10);

	reset_AHT20();//重置AHT20芯片
	delay_ms(10);

	init_AHT20();//初始化AHT20芯片
	delay_ms(10);

	startMeasure_AHT20();//开始测试AHT20芯片
	delay_ms(80);

	read_AHT20();//读取AHT20采集的到的数据
	delay_ms(5);
}

（2）AHT20芯片读取数据 read_AHT20函数

void read_AHT20(void)
{
	uint8_t   i;

	for(i=0; i<6; i++)
	{
		readByte[i]=0;
	}
	I2C_Start();//I2C启动

	I2C_WriteByte(0x71);//I2C写数据
	ack_status = Receive_ACK();//收到的应答信息
	readByte[0]= I2C_ReadByte();//I2C读取数据
	Send_ACK();//发送应答信息

	readByte[1]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[2]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[3]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[4]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[5]= I2C_ReadByte();
	SendNot_Ack();
	//Send_ACK();

	I2C_Stop();//I2C停止函数
	//判断读取到的第一个字节是不是0x08，0x08是该芯片读取流程中规定的，如果读取过程没有问题，就对读到的数据进行相应的处理
	if( (readByte[0] & 0x68) == 0x08 )
	{
		H1 = readByte[1];
		H1 = (H1<<8) | readByte[2];
		H1 = (H1<<8) | readByte[3];
		H1 = H1>>4;

		H1 = (H1*1000)/1024/1024;

		T1 = readByte[3];
		T1 = T1 & 0x0000000F;
		T1 = (T1<<8) | readByte[4];
		T1 = (T1<<8) | readByte[5];

		T1 = (T1*2000)/1024/1024 - 500;

		AHT20_OutData[0] = (H1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[1] = H1 & 0x000000FF;

		AHT20_OutData[2] = (T1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[3] = T1 & 0x000000FF;
	}
	else
	{
		AHT20_OutData[0] = 0xFF;
		AHT20_OutData[1] = 0xFF;

		AHT20_OutData[2] = 0xFF;
		AHT20_OutData[3] = 0xFF;
		printf("读取失败！！！");

	}
	printf("\r\n");
	//根据AHT20芯片中，温度和湿度的计算公式，得到最终的结果，通过串口显示
	printf("温度:%d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);
	printf("湿度:%d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);
	printf("\r\n");
}

编译调试成功无误烧录即可。

在这里插入图片描述

完整代码链接：https://pan.baidu.com/s/1z1SybDqb_6V9veqxqLs7sQ
提取码：o72s

4、电路连接

温湿度传感器接法
本程序采用的软件I2C实现，GPIO引脚PB6，PB7。具体定义代码如下

#define SDA_IN() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)8<<28;}
#define SDA_OUT() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)3<<28;}
#define IIC_SCL PBout(6) //SCL
#define IIC_SDA PBout(7) //SDA
#define READ_SDA PBin(7)

SCL连接PB6，SDA连接PB7

如果采用硬件I2C进行实现，可以查看关于STM32的原理图，可以看到硬件I2C接口，野火stm32mini开发板的I2C接口是PA2，PA3，要实现硬件I2C读取数据，就根据上面介绍的方式进行配置，即可完成通讯。

5、上位机显示

这里我利用的是XCOM串口调试助手，设置好波特率115200，打开串口即可观察到数据。
在这里插入图片描述
用手握住传感器即可看到其温度得到了明显升高
环境湿度改变后同样湿度也有了变化

四、总结

I2C总线上允许连接多个微处理器以及各种外围设备，如存储器、LED及LCD驱动、A/D及D/A转换器等。为了保证数据可靠地传送，任一时刻总线只能由某一台主机控制，各微处理器应该在总线空闲时发送数据。

通过本次实验，详细了解到了I2C总线协议，以及AHT20温湿度传感器的使用，受益匪浅！

参考
[1] https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/105366932
[2] https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/109188507

标签：SCL,温湿度,总线,通信协议,AHT20,SDA,IIC,I2C
来源： https://blog.csdn.net/qq_46467126/article/details/121436790