[嵌入式]STM32 基于 I2C 通信协议的温湿度采集并串口显示

文章内容：
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”？
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）。

1 I2C 总线通信协议

1.1 I2C 通信协议

I2C/IIC 通信协议（Inter-Integrated Circuit）是由 PHILIPS 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 UART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在多用于系统内多个 IC 间的通讯。

• I2C 物理层
  
  I2C 是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，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。
  一个 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)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
• I2C 协议层
  I2C 的协议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环节。

1. 空闲状态
   I2C 总线的 SDA 和 SCL 两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
2. 通讯的起始和停止信号（一般由主机产生）：
   
3. 数据有效性
   
   数据在 SCL 的上升沿到来之前就需要准备好，并在下降沿到来之前必须保持稳定。
4. 应答信号 ACK
   
   发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK 简称应答位），表示接收器已经成功接收了该字节；应答器为高电平时，规定为非应答位（NACK）；一般表示接收器接收该字节没有成功。

• I2C 基本读写过程
  
  详细内容可以参考这篇博客：I2C通信协议(二)-数据读写

1.2 I2C 的实现方式—硬件 I2C 和软件 I2C

• 硬件 I2C
  直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设。
  使用时，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
  将芯片的两个 GPIO 引脚分别用作 SCL 及 SDA ，按照 I2C 的时序要求，直接控制引脚的输出信号(若是接收数据时则读取 SDA 电平)，就可以实现 I2C 通讯。由于是直接控制 GPIO 引脚的高低电平产生通讯时序，需要由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，所以称为“软件模拟协议”方式即软件 I2C 方式。
• 硬件 I2C 和软件 I2C 的比较

1. 硬件 I2C 用法比较复杂，模拟 I2C 的流程更清楚一些。
2. 硬件 I2C 速度比模拟快，并且可以用 DMA 。
3. 模拟 I2C 可以在任何管脚上，而硬件只能在固定管脚上，模拟 I2C 相对比较灵活。

2 温湿度数据采集串口显示

2.1 具体要求

• 每隔 2 秒钟采集一次温湿度数据
• 将采集的数据通过串口发送到上位机（win10）

2.2 准备工具

硬件工具：

• STM32F103 开发板
• AHT20 芯片（温湿度数据采集）
  AHT20 芯片的具体信息及参考代码参考官网介绍，链接：
  http://www.aosong.com/class-36.html
• USB 转 TTL 模块
• 杜邦线若干
• PC 机（Win10）

软件工具：

• keil 5 MDK
• 烧录软件 mcuisp
• 串口传输助手 sscom5 (提取码均为：luha)

2.3 代码分析

• 完整代码工程文件链接
  https://pan.baidu.com/s/1wGnfv12O5y0lZ4koCs5AEQ
  提取码：luha
• 部分代码分析

1. AHT20 芯片的初始化

//初始化AHT20
void AHT20_Init(void)   
{	
	IIC_Init();
	IIC_Start();
	IIC_Send_Byte(0x70);
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0xa8);//0xA8进入NOR工作模式
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0x00);
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0x00);
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Stop();

	delay_ms(10);//延时10ms左右

	IIC_Start();
	IIC_Send_Byte(0x70);
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0xbe);//0xBE初始化命令，AHT20的初始化命令是0xBE,   AHT10的初始化命令是0xE1
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0x08);//相关寄存器bit[3]置1，为校准输出
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Send_Byte(0x00);
	IIC_Wait_Ack();
	IIC_Stop();
	delay_ms(10);//延时10ms左右
}

2. AHT20 芯片读取并保存数据

//没有CRC校验，直接读取AHT20的温度和湿度数据    
void AHT20_Read_CTdata(u32 *ct) 
{
	volatile u8 Byte_1th=0,Byte_2th=0,Byte_3th=0;
    volatile u8 Byte_4th=0,Byte_5th=0,Byte_6th=0;
	u32 RetuData = 0;
	u16 cnt = 0,flag;
	AHT20_SendAC();//向AHT20发送AC命令
	delay_ms(80);	//大约延时80ms
    
	while(((AHT20_Read_Status()&0x80)==0x80))//直到状态bit[7]为0，表示为空闲状态，若为1，表示忙状态
	{
		delay_ms(1);
		if(cnt++>=100) break;
	}
    
	IIC_Start();
	IIC_Send_Byte(0x71);
	flag=IIC_Wait_Ack();
	Byte_1th = IIC_Read_Byte(flag);//状态字
	Byte_2th = IIC_Read_Byte(flag);//湿度,发送ACK(继续发送)
	Byte_3th = IIC_Read_Byte(flag);//湿度
	Byte_4th = IIC_Read_Byte(flag);//湿度/温度
	Byte_5th = IIC_Read_Byte(flag);//温度
	Byte_6th = IIC_Read_Byte(!flag);//温度,发送NACK(停止发送)  
	IIC_Stop();
    
    //保存得到的数据到RetuData中
	RetuData = (RetuData|Byte_2th)<<8;  
	RetuData = (RetuData|Byte_3th)<<8;
	RetuData = (RetuData|Byte_4th);
	RetuData =RetuData >>4;
	ct[0] = RetuData;//湿度
    
	RetuData = 0;
	RetuData = (RetuData|Byte_4th)<<8;
	RetuData = (RetuData|Byte_5th)<<8;
	RetuData = (RetuData|Byte_6th);
	RetuData = RetuData&0x0fffff;
	ct[1] =RetuData; //温度
}

3. main.c 函数

#include "led.h"
#include "usart.h"
#include "temhum.h"

int main(void)
{	 	
    u32 CT_data[2]={0};
    volatile float  hum=0,tem=0;     
     
    delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
    uart_init(115200);	 //串口初始化为115200
    LED_Init();			     //LED端口初始化
    temphum_init();     //ATH20初始化    
	
	while(1)
	{
        AHT20_Read_CTdata(CT_data);       //不经过CRC校验，直接读取AHT20的温度和湿度数据 

        hum = CT_data[0]*100*10/1024/1024;  //计算得到湿度值（放大了10倍）
        tem = CT_data[1]*200*10/1024/1024-500;//计算得到温度值（放大了10倍）

        printf("湿度:%.1f%%\r\n",(hum/10));
        printf("温度:%.1f度\r\n",(tem/10));
        printf("\r\n");
        
        //延时2s,LED闪烁提示串口发送状态
        LED=0;
        delay_ms(1000);
        LED=1;
        delay_ms(1000);
	 }
}

2.4 效果演示

2.4.1 硬件电路连接

• USB 转 TTL 模块与STM32F103 核心板的连接

• AHT20 芯片与STM32F103 核心板的连接

注意：本程序采用的 “ 软件 I2C ” 实现的，采用 GPIO 引脚是 PB6、PB7。

2.4.2 串口显示

• 编译生成 hex 文件并完成烧录
• 连接串口，并打开串口
• 串口显示效果如下
  
  可以看出，串口是每隔两秒发送一次温湿度数据，当用手捂住 AHT20 芯片模块，会发现温湿度数据上升。

3 总结

本篇文章主要对 I2C 总线通信协议展开了学习，主要是得理解 I2C 协议的基本读写过程，清楚 I2C 协议写时序与读时序的基本步骤。在应用 I2C 协议进行温湿度采集任务中，了解和学习了所使用的温湿度传感器的具体使用操作。代码其实没有太大问题，主要还是需要注意硬件连接和运行，要判别使用的管脚是否正确，细心操作就可以了。
这也是作者首次学习应用 I2C 协议进行温湿度采集，文章如有问题，敬请读者指正。

4 参考资料

1. I2C通信协议(一)-基本原理
2. 基于I2C通信协议的温湿度采集
3. stm32通过I2C接口实现温湿度（AHT20）的采集
4. 《零死角玩转STM32—F103指南者.pdf》
   提取码：luha