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[嵌入式]基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示

目录

一、I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集

(一)了解I2C总线协议

1、I2C协议简介

?2、I2C 协议的物理层和协议层???

3、硬件I2C和软件I2C?

(二)实现AHT20采集程序

二、基于SPI通信方式的OLED显示

(一)SPI简介

(二)使用0.96寸OLED显示屏显示数据

三、总结

四、参考


一、I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集

(一)了解I2C总线协议



1、I2C协议简介

?? ? ? ? ? ??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。
? ? ? ? 在计算机科学里,大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和
片上外设;STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议,我们也
以分层的方式来理解,最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有
机械、电子功能部分的特性,确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑,
统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流,
协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
? ? ? ?下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。

?2、I2C 协议的物理层和协议层???

? ? ? ??①物理层
它的物理层有如下特点:
? ? ? ?(1) 它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。
? ? ? ?(2) 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。
? ? ? ?(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备之
间的访问。
? ? ? ?(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空
闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。
? ? ? ?(5) 多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定由哪个设备占用
总线。
? ? ? ?(6) 具有三种传输模式:标准模式传输速率为 100kbit/s ,快速模式为 400kbit/s ,高速模式
下可达 3.4Mbit/s ,但目前大多 I 2 C 设备尚不支持高速模式。
? ? ? ?(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制
? ??②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
通讯的起始和停止信号 :当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换,这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换,表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
数据有效性:
? ? ? ? I2C 使用 SDA 信号线来传输数据,使用 SCL 信号线进行数据同步。见图 24-6 SDA
据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时, SCL 为高电平的时候 SDA 表示的数据
有效,即此时的 SDA 为高电平时表示数据“ 1 ”,为低电平时表示数据“ 0 ”。当 SCL 为低
电平时, SDA 的数据无效,一般在这个时候 SDA 进行电平切换,为下一次表示数据做好准
备。
每次数据传输都以字节为单位,每次传输的字节数不受限制。

地址及数据方向
? ? ? ? I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址,主机发起通讯时,通过 SDA 信号线发送
设备地址 (SLAVE_ADDRESS) 来查找从机。 I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位,实
际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是
数据方向位 (R/W ),第 8 位或第 11 位。数据方向位为“ 1 ”时表示主机由从机读数据,该位
为“ 0”时表示主机向从机写数据。读数据方向时,主机会释放对 SDA 信号线的控制,由从机控制 SDA 信号线,主机接收信号,写数据方向时,SDA 由主机控制,从机接收信号。
响应
? ? ? ? ? ?I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答 (ACK) ”和“非应答 (NACK) ”两种
信号。作为数据接收端时,当设备 ( 无论主从机 ) 接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后,
若希望对方继续发送数据,则需要向对方发送“应答 (ACK) ”信号,发送方会继续发送下
一个数据;若接收端希望结束数据传输,则向对方发送“非应答 (NACK) ”信号,发送方接
收到该信号后会产生一个停止信号,结束信号传输。传输时主机产生时钟,在第 9 个时钟时,数据发送端会释放 SDA 的控制权,由数据接收端控制 SDA,若 SDA 为高电平,表示非应答信号(NACK),低电平表示应答信号(ACK)。

3、硬件I2C和软件I2C?

①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。

②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。

③两者的差别

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。
?

(二)实现AHT20采集程序

1、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,资料链接如下:软件下载-温湿度传感器 温湿度芯片 温湿度变送器模块 气体传感器 流量传感器 广州奥松电子股份有限公司

?2、添加代码

完整代码路径为:GitHub - Sunlight-Dazzling/stm32-AHT20 at master

3、主要代码的分析

AHT20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);
}

AHT20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");
}

? ? 主函数

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


int main(void)
{	
	delay_init();     
	uart_init(115200);	 
	IIC_Init();
		while(1)
	{
		printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(1500);
  }
}

4、连接

AHT20的SCL,GND,SDA,VCC分别对应接stm32f103指南者i2c模块的B6,GND,B7,3v3。

5、结果

二、基于SPI通信方式的OLED显示

(一)SPI简介

1、SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写,是由 Motorola 公司提出的一种高速的,全双工,同步的通信总线,被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间要求通讯速率较高的场合。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件连接,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线C/S(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。

上图中的时序只是 SPI 其中一种通讯模式,SPI 一共有四种通讯模式,它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明,在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。
时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时,SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时, SCK 在空闲状态时为低电平,CPOL=1 时,则相反。
时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻,当 CPHA=0 时,MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时,数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。


2.SPI工作模式

根据 CPOL 及 CPHA 的不同状态,SPI 分成了四种模式,见下图,主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯,实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。

(二)使用0.96寸OLED显示屏显示数据

1、实验工具与材料
? ? ?软件:keil
? ? ?硬件:PC机,STM32开发板(本过程采用的是野火stm32mini开发板),0.96寸OLED显示屏,下载器(本过程采用ST_Link)。

2、0.96寸OLED显示屏相关介绍

参考下面链接:0.96inch SPI OLED Module - LCD wiki

3、点阵编码原理与显示

汉字点阵编码
? ? ? ? 在汉字的点阵字库中,每个字节的每个位都代表一个汉字的一个点,每个汉字都是由一个矩形的点阵组成,0 代表没有点,1 代表有点,将 0 和 1 分别用不同颜色画出,就形成了一个汉字,常用的点阵矩阵有 1212, 1414, 16*16 三 种字库。
字库根据字节所表示点的不同有分为横向矩阵和纵向矩阵,目前多数的字库都是横向矩阵的存储方式(用得最多的应该是早期 UCDOS 字库),纵向矩阵一 般是因为有某些液晶是采用纵向扫描显示法,为了提高显示速度,于是便把字库 矩阵做成纵向,省得在显示时还要做矩阵转换。
OLED点阵显示
? ? ? ? ? 点阵屏像素按128列X64行组织,每一行128个像素单元的阴极是连接在一起,作为公共极(COM),每一列64个像素单元的阳极也连接在一起,作为一段(SEG)。行列交叉点上的LED就是一个显示单元,即一个像素。要点亮一个像素,只要在该像素所在列电极上加上正电压、行电极接地。同样,要驱动一整行图像,就需要同时把128列信号加载到列电极上,把该行行电极接地。该行显示时,其他63行均不能显示,其行电极应为高电平或悬空。
可见,整屏的显示,只能分时扫描进行,一行一行的显示,每次显示一行。行驱依次产生低电平扫描各行,列驱动读取显示数据依次加载到列电极上。扫描一行的时间称为行周期,完成一次全屏扫描,就叫做一帧。一般帧频大于60,人眼观察不到逐行显示。每行扫描显示用时叫占空比,占空比小,为达到相同的显示亮度,驱动电流就大。SSD1306段驱动最大电流为100uA,当整行128个像素全部点亮时,行电极就要流过12.8mA的电流。


4、程序部分更改的代码

王来风的存储代码

删掉原部分代码,将下面代码添加到oledfont.h相应位置。

	"王",0x00,0x00,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x3F,0xF8,
0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0xFF,0xFE,0x00,0x00,
	"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,
	"风",0x00,0x00,0x3F,0xF0,0x20,0x10,0x20,0x10,0x28,0x50,0x24,0x50,0x22,0x90,0x22,0x90,
0x21,0x10,0x21,0x10,0x22,0x90,0x22,0x92,0x24,0x4A,0x48,0x4A,0x40,0x06,0x80,0x02,

?实现显示代码

将下面代码添加到test.c中

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowCHinese(28,20,16,"王来风",1);//中文姓名
	GUI_ShowString(4,48,"631907030423",16,1);//数字详细
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}
main函数
int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏(全黑)
	while(1) 
	{	
		TEST_MainPage();         //界面显示
	}
}

5、烧录接线

6、结果

显示AHT20的温度和湿度

main.c

#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);
  }
}

结果为:

滑动显示字符?

test.c中部分代码:

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowCHinese(10,20,16,"与其追风去不如等风来",1);
	
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);

?oledfont.h中部分代码:

	"与",0x10,0x00,0x10,0x00,0x10,0x00,0x1F,0xFC,0x10,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x3F,0xF8,
0x00,0x08,0x00,0x08,0x00,0x08,0xFF,0xC8,0x00,0x08,0x00,0x08,0x00,0x50,0x00,0x20,
	"其",0x08,0x20,0x08,0x20,0x7F,0xFC,0x08,0x20,0x08,0x20,0x0F,0xE0,0x08,0x20,0x08,0x20,
0x0F,0xE0,0x08,0x20,0x08,0x20,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x08,0x20,0x10,0x10,0x20,0x08,
	"追",0x00,0x20,0x20,0x40,0x13,0xFC,0x12,0x04,0x02,0x04,0x03,0xFC,0xF2,0x00,0x12,0x00,
0x13,0xFE,0x12,0x02,0x12,0x02,0x13,0xFE,0x12,0x02,0x28,0x00,0x47,0xFE,0x00,0x00,
	"风",0x00,0x00,0x3F,0xF0,0x20,0x10,0x20,0x10,0x28,0x50,0x24,0x50,0x22,0x90,0x22,0x90,
0x21,0x10,0x21,0x10,0x22,0x90,0x22,0x92,0x24,0x4A,0x48,0x4A,0x40,0x06,0x80,0x02,
	"去",0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x3F,0xF8,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,
0xFF,0xFE,0x02,0x00,0x02,0x00,0x04,0x00,0x08,0x20,0x10,0x10,0x3F,0xF8,0x00,0x08,
	"不",0x00,0x00,0x7F,0xFC,0x00,0x80,0x00,0x80,0x01,0x00,0x01,0x00,0x03,0x40,0x05,0x20,
0x09,0x10,0x11,0x08,0x21,0x04,0x41,0x04,0x81,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,
   "如",0x10,0x00,0x10,0x00,0x10,0x00,0x10,0x7C,0xFE,0x44,0x22,0x44,0x22,0x44,0x22,0x44,
0x42,0x44,0x24,0x44,0x14,0x44,0x08,0x44,0x14,0x44,0x22,0x7C,0x42,0x44,0x80,0x00,
   "等",0x20,0x40,0x3F,0x7E,0x48,0x90,0x85,0x08,0x01,0x00,0x3F,0xF8,0x01,0x00,0x01,0x00,
0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x20,0x7F,0xFC,0x08,0x20,0x04,0x20,0x04,0xA0,0x00,0x40,
  "风",0x00,0x00,0x3F,0xF0,0x20,0x10,0x20,0x10,0x28,0x50,0x24,0x50,0x22,0x90,0x22,0x90,
0x21,0x10,0x21,0x10,0x22,0x90,0x22,0x92,0x24,0x4A,0x48,0x4A,0x40,0x06,0x80,0x02,
  "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,

main.c中代码

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
}

结果为:

三、总结

在?I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集的实验中,我了解到了什么是I2C协议,以及硬件I2C和软件I2C的区别,对于AHT20芯片读取数据的过程也有了一个比较清晰的认识,而在基于SPI通信方式的OLED显示的实验中,我学到了中文字库点阵、OLED屏幕滑动显示等,获益良多

四、参考

  1. 零死角玩转 STM32F103—MINI(可以在野火官网进行下载)
  2. 软件下载-温湿度传感器 温湿度芯片 温湿度变送器模块 气体传感器 流量传感器 广州奥松电子股份有限公司
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【STM32】CubeMX例程四---定时器中断(附工
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加:2021-11-27 10:04:07  更:2021-11-27 10:04:37 
 
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