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[嵌入式]基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

文章目录

1 I2C总线通信协议

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。I2C的通信原理是通过对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，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。
在这里插入图片描述
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为双工。

1.1 软件I2C

（1）软件I2C一般是用GPIO管脚，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形。
（2）软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。
（3）模拟I2C 是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式。
（4）软件I2C是程序员使用程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟I2C协议的时序。一般较硬件I2C稳定，但是程序较为繁琐，不过不难。

1.2 硬件I2C

（1）所谓硬件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。
（2）硬件I2C的效率要远高于软件的。
（3）硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。
（4）硬件I2C程序员只要调用I2C的控制函数即可，不用直接的去控制SCL,SDA高低电平的输出。但是有些单片机的硬件I2C不太稳定，调试问题较多。

1.3 区别软件I2C和硬件I2C

  • 可以看底层配置，比如IO口配置，如果配置了IO口的功能（IIC功能）那就是固件IIC，否则就是模拟。

  • 可以看IIC写函数，看里面有没有调用现成的函数或者给某个寄存器赋值，如果有，则肯定是固件IIC功能，没有的话肯定是数据一个bit一个bit模拟发生送的，肯定用到了循环，则为模拟。

  • 根据代码量判断，模拟的代码量肯定比固件的要大。

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

2 AHT20温湿度采集并通过串口发送

题目：
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。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）。

2.1 电路连接

采用软件I2C实现，电路连线中，使用AHT20芯片、USB转RS232模块，采用的GPIO口是PB6和PB7，因此SCL连接PB6，SDA连接PB7。

2.2 代码分析

完整代码
①AHT20芯片的使用过程

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);
}

②AHT20芯片读取数据

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");
}

2.3 实验结果

烧录
在这里插入图片描述
串口发送并显示：可以看到开始时是显示的室内的温湿度，用手将AHT20芯片捂住使之温度升高，显示结果也跟着升高。【温度从21升高到26，湿度从57升高到99.9】
在这里插入图片描述

3 OLED屏显和汉字点阵编码原理

  1. SPI 是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
    SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。

    (1)SDO/MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入;
    (2)SDI/MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出;
    (3)SCLK– 时钟信号，由主设备产生;
    (4)CS/SS –从设备使能信号，由主设备控制。当有多个从设备的时候，因为每个从设备上都有一个片选引脚接入到主设备机中，当我们的主设备和某个从设备通信时将需要将从设备对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。

    SPI通信过程
    在这里插入图片描述MOSI
    与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。

  2. OLED也被称之为第三代显示技术，其显示原理与LCD有着本质上的区别，主要是通过电场驱动，有机半导体材料和发光材料通过过载流子注入和复合后实现发光。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述电路连接：OLED屏、STM32F103开发板。
    在这里插入图片描述

4 OLED屏显示实例

4.1 文字显示

4.1.1 提取字模

首先利用取点阵字模的软件将要显示的汉字的16进制数据提取出来【数字和英文呢不需要提取】，这里采用的软件是字模提取V2.1 CopyLeft By Horse2000 。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
打开工程文件，在右侧列表里找到oledfont.h文件
在这里插入图片描述
将刚才复制的十六进制码按照如下格式粘贴进去
在这里插入图片描述然后在test.c文件中，对TEST_MainPage函数做相应的修改

在这里插入图片描述

4.1.2 代码分析

完整代码：提取码：bphx
代码需要修改的部分在上述文字提取中已说明。详细修改如下：
①修改字模数据

	"张",0x01,0x00,0xF9,0x08,0x09,0x08,0x09,0x10,0x09,0x20,0x79,0x40,0x41,0x00,0x47,0xFE,
	0x41,0x40,0x79,0x20,0x09,0x20,0x09,0x10,0x09,0x08,0x09,0x44,0x51,0x82,0x21,0x00,

②修改显示的内容

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowString(28,0,"ZHANG",16,1);
	GUI_ShowCHinese(28,20,16,"张",1);
	//GUI_ShowString(40,32,"64X128",16,1);
	GUI_ShowString(4,48,"63190703033",16,1);
	//GUI_ShowString(4,48,"www.lcdwiki.com",16,1);
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}

③main函数

int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏（全黑）
	while(1) 
	{	
		TEST_MainPage();         //主界面显示测试
	}
}

4.1.3 结果显示

在这里插入图片描述

4.2 配合AHT20显示温湿度

4.2.1 电路连线

以前面的连线为基础，将AHT20芯片、OLED屏与STM32F103芯片连接起来。

4.2.2 代码分析

完整代码
①进行温湿度显示

void read_AHT20(void)
{
	uint8_t   i;
	for(i=0; i<6; i++)
	{
		readByte[i]=0;
	}

	//-------------
	I2C_Start();

	I2C_WriteByte(0x71);
	ack_status = Receive_ACK();
	readByte[0]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	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();

	//--------------
	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("lyy");

	}
	/*通过串口显示采集得到的温湿度
	printf("\r\n");
	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");*/
	t=T1/10;
	t1=T1%10;
	a=(float)(t+t1*0.1);
	h=H1/10;
	h1=H1%10;
	b=(float)(h+h1*0.1);
	sprintf(strTemp,"%.1f",a);   //调用Sprintf函数把DHT11的温度数据格式化到字符串数组变量strTemp中  
    sprintf(strHumi,"%.1f",b);    //调用Sprintf函数把DHT11的湿度数据格式化到字符串数组变量strHumi中  
	GUI_ShowCHinese(16,00,16,"温湿度显示",1);
	GUI_ShowCHinese(16,20,16,"温度",1);
	GUI_ShowString(53,20,strTemp,16,1);
	GUI_ShowCHinese(16,38,16,"湿度",1);
	GUI_ShowString(53,38,strHumi,16,1);
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}

②点阵汉字提取

	"温",0x00,0x00,0x23,0xF8,0x12,0x08,0x12,0x08,0x83,0xF8,0x42,0x08,0x42,0x08,0x13,0xF8,
  0x10,0x00,0x27,0xFC,0xE4,0xA4,0x24,0xA4,0x24,0xA4,0x24,0xA4,0x2F,0xFE,0x00,0x00,/*"温",0*/
  	"湿",0x00,0x00,0x27,0xF8,0x14,0x08,0x14,0x08,0x87,0xF8,0x44,0x08,0x44,0x08,0x17,0xF8,
  0x11,0x20,0x21,0x20,0xE9,0x24,0x25,0x28,0x23,0x30,0x21,0x20,0x2F,0xFE,0x00,0x00,/*"湿",0*/
	"度",0x01,0x00,0x00,0x80,0x3F,0xFE,0x22,0x20,0x22,0x20,0x3F,0xFC,0x22,0x20,0x22,0x20,
  0x23,0xE0,0x20,0x00,0x2F,0xF0,0x24,0x10,0x42,0x20,0x41,0xC0,0x86,0x30,0x38,0x0E,/*"度",0*/
	"显",0x00,0x00,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1F,0xF0,
  0x04,0x40,0x44,0x44,0x24,0x44,0x14,0x48,0x14,0x50,0x04,0x40,0xFF,0xFE,0x00,0x00,/*"显",0*/
	"示",0x00,0x00,0x3F,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF,0xFE,0x01,0x00,
  0x01,0x00,0x11,0x10,0x11,0x08,0x21,0x04,0x41,0x02,0x81,0x02,0x05,0x00,0x02,0x00,/*"示",0*/

③main函数

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_i2c.h"
#include "sys.h"

#include "oled.h"
#include "gui.h"
#include "test.h"

int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化    	  
	uart_init(115200);	 
	IIC_Init();
		  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0); 
	while(1)
	{
		//printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		OLED_Clear(0); 
		delay_ms(1500);
  }
}

4.2.3 结果显示

可以看到用手捂住AHT20芯片，温度升高，湿度也升高。
在这里插入图片描述

4.3 滚动显示长字符

4.3.1 电路连线

将AHT20芯片摘下来，其他线路保持不变。

提取字模：

"欢",0x00,0x80,0x00,0x80,0xFC,0x80,0x04,0xFC,0x05,0x04,0x49,0x08,0x2A,0x40,0x14,0x40,
  0x10,0x40,0x28,0xA0,0x24,0xA0,0x45,0x10,0x81,0x10,0x02,0x08,0x04,0x04,0x08,0x02,/*"欢",0*/
"迎",0x00,0x00,0x20,0x80,0x13,0x3C,0x12,0x24,0x02,0x24,0x02,0x24,0xF2,0x24,0x12,0x24,
  0x12,0x24,0x12,0xB4,0x13,0x28,0x12,0x20,0x10,0x20,0x28,0x20,0x47,0xFE,0x00,0x00,/*"迎",0*/
"来",0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x11,0x10,0x09,0x10,0x09,0x20,  
  0xFF,0xFE,0x03,0x80,0x05,0x40,0x09,0x20,0x31,0x18,0xC1,0x06,0x01,0x00,0x01,0x00,/*"来",0*/
"到",0x00,0x04,0xFF,0x84,0x08,0x04,0x10,0x24,0x22,0x24,0x41,0x24,0xFF,0xA4,0x08,0xA4,  
  0x08,0x24,0x08,0x24,0x7F,0x24,0x08,0x24,0x08,0x04,0x0F,0x84,0xF8,0x14,0x40,0x08,/*"到",0*/
"博",0x20,0x50,0x20,0x48,0x2F,0xFE,0x20,0x40,0x27,0xFC,0xFC,0x44,0x27,0xFC,0x24,0x44,
  0x27,0xFC,0x24,0x44,0x20,0x08,0x2F,0xFE,0x22,0x08,0x21,0x08,0x21,0x28,0x20,0x10,/*"博",0*/
"客",0x02,0x00,0x01,0x00,0x7F,0xFE,0x40,0x02,0x88,0x04,0x0F,0xF0,0x10,0x20,0x2C,0x40,  
  0x03,0x80,0x1C,0x70,0xE0,0x0E,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1F,0xF0,0x10,0x10,/*"客",0*/

4.3.2 代码分析

完整代码
①水平左右移动

OLED_WR_Byte(0x2E,OLED_CMD);        //关闭滚动
OLED_WR_Byte(0x26,OLED_CMD);        //水平向左或者右滚动 26/27
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //起始页 0
OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //滚动时间间隔
OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //终止页 7
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
OLED_WR_Byte(0xFF,OLED_CMD);        //虚拟字节
OLED_WR_Byte(0x2F,OLED_CMD);        //开启滚动

②垂直和水平滚动

OLED_WR_Byte(0x2e,OLED_CMD);        //关闭滚动
OLED_WR_Byte(0x29,OLED_CMD);        //水平垂直和水平滚动左右 29/2a
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //起始页 0
OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //滚动时间间隔
OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //终止页 1
OLED_WR_Byte(0x01,OLED_CMD);        //垂直滚动偏移量
OLED_WR_Byte(0x2F,OLED_CMD);        //开启滚动

③test.c

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowCHinese(10,20,16,"欢迎来到博客",1);
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}

④main.c

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "oled.h"
#include "gui.h"
#include "test.h"
int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏（全黑）
	OLED_WR_Byte(0x2E,OLED_CMD);        //关闭滚动
    OLED_WR_Byte(0x27,OLED_CMD);        //水平向左或者右滚动 26/27
    OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
	OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //起始页 0
	OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //滚动时间间隔
	OLED_WR_Byte(0x07,OLED_CMD);        //终止页 7
	OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);        //虚拟字节
	OLED_WR_Byte(0xFF,OLED_CMD);        //虚拟字节
	TEST_MainPage();
	OLED_WR_Byte(0x2F,OLED_CMD);        //开启滚动
}

4.3.3 结果显示

可以看到文字会滚动显示，且中间留有一定间隙。
在这里插入图片描述

5 总结

取字模时一定要仔细一点，按照顺序来，用C51格式，没进行参数设置会导致乱码。
每一次实验都要重新烧录代码，烧录软件不成功，将串口模块取下来重新插进去，重新进行烧录。
虽然代码很多是厂家提供的，但是有些部分的代码还是要弄清楚才能知道程序出错怎么调试。

6 参考文献

stm32通过I2C接口实现温湿度（AHT20）的采集
基于STM32的温湿度采集——OLED显示
基于STM32的0.96寸OLED显示屏显示数据
0.96寸OLED在STM32f103上实现滚动显示长字符
I2C协议
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加:2021-11-22 12:30:12  更:2021-11-22 12:31:50 
 
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