STM32——温湿度采集与显示

news2024/11/28 9:36:55

一、I2C协议

关于I2C协议的基本原理和时序协议
12C协议使用两条线：SDA（Serial Data Line，串行数据线）和SCL（Serial Clock Line，串行时钟线）。这两条线都是开漏输出，意味着它们需要上拉电阻才能输出高电平。12C总线可以支持多个设备，每个设备都有一个唯一的地址，可以是7位或10位。
12C的时序协议
12C协议的时序是严格定义的，以确保数据的准确传输。主要时序包括：

开始条件（Start Condition）：当SCL为高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变表示一个开始条件。
停止条件（Stop Condition）：当SCL为高电平时，SDA从低电平到高电平的跳变表示一个停止条件。
数据传输：数据在SCL的下降沿被放置到SDA线上，在SCL的上升沿被读取。每个数据位后面都有一个确认位（ACK或NACK）。
确认位（ACK/NACK）：在发送每个字节后，接收方必须通过将SDA拉低来发送一个确认位（ACK）。如果接收方不拉低SDA，则发送一个非确认位（NACK）。
时钟延长（Clock Stretching）：从设备可以通过将SCL拉低来延长时钟周期，以便有更多时间处理接收到的数据。
12C的传输过程
发送地址：主设备发送一个开始条件，然后发送它想要与之通信的从设备的地址。
读写控制位：在地址后面是一个读写控制位，'0’表示写操作，'1’表示读操作。
数据传输：从设备确认地址后，主设备可以开始发送或接收数据。
停止条件：当传输完成后，主设备发送一个停止条件以结束通信。

二、AHT20

AHT20是一款由奥松公司生产的I2C接口的MEMS温湿度传感器。这款传感器的主要特点包括体积小、精度高、成本低等。AHT20的ADC位数为20Bit，相较于AHT10，体积更小，从5x4x1.6mm缩小到3x3x1.0mm。在相对湿度方面，其精度为±2%，温度精度为±0.3°C。相对湿度测量范围为0-100%，温度测量范围为-40~85°C。
需要注意的是在实践接线时要注意正确接入管脚
在这里插入图片描述
本次实践中SCL-B6,SDA-B7.

三、stm32CubeMX创建工程

按照下图顺序进行创建工程即可
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四、Keil工程中相关操作及代码

首先在工程的文件夹中新建一个文件夹ATT20，并在文件夹中新建两个文件：AHT20-21_DEMO_V1_3.c，AHT20-21_DEMO_V1_3.h。
然后在工程中新建文件夹，添加文件以及文件路径，步骤如下：
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添加文件代码：
AHT20-21_DEMO_V1_3.h

#ifndef _AHT20_DEMO_
#define _AHT20_DEMO_

#include "main.h"  

void Delay_N10us(uint32_t t);//延时函数
void SensorDelay_us(uint32_t t);//延时函数
void Delay_4us(void);		//延时函数
void Delay_5us(void);		//延时函数
void Delay_1ms(uint32_t t);	
void AHT20_Clock_Init(void);		//延时函数
void SDA_Pin_Output_High(void)  ; //将PB15配置为输出 ， 并设置为高电平， PB15作为I2C的SDA
void SDA_Pin_Output_Low(void);  //将P15配置为输出  并设置为低电平
void SDA_Pin_IN_FLOATING(void);  //SDA配置为浮空输入
void SCL_Pin_Output_High(void); //SCL输出高电平，P14作为I2C的SCL
void SCL_Pin_Output_Low(void); //SCL输出低电平
void Init_I2C_Sensor_Port(void); //初始化I2C接口,输出为高电平
void I2C_Start(void);		 //I2C主机发送START信号
void AHT20_WR_Byte(uint8_t Byte); //往AHT20写一个字节
uint8_t AHT20_RD_Byte(void);//从AHT20读取一个字节
uint8_t Receive_ACK(void);   //看AHT20是否有回复ACK
void Send_ACK(void)	;	  //主机回复ACK信号
void Send_NOT_ACK(void);	//主机不回复ACK
void Stop_I2C(void);	  //一条协议结束
uint8_t AHT20_Read_Status(void);//读取AHT20的状态寄存器
uint8_t AHT20_Read_Cal_Enable(void);  //查询cal enable位有没有使能
void AHT20_SendAC(void); //向AHT20发送AC命令
uint8_t Calc_CRC8(uint8_t *message,uint8_t Num);
void AHT20_Read_CTdata(uint32_t *ct); //没有CRC校验，直接读取AHT20的温度和湿度数据
void AHT20_Read_CTdata_crc(uint32_t *ct); //CRC校验后，读取AHT20的温度和湿度数据
void AHT20_Init(void);   //初始化AHT20
void JH_Reset_REG(uint8_t addr);///重置寄存器
void AHT20_Start_Init(void);///上电初始化进入正常测量状态
#endif

AHT20-21_DEMO_V1_3.c

/*******************************************/
/*@版权所有：广州奥松电子有限公司          */
/*@作者：温湿度传感器事业部                */
/*@版本：V1.2                              */
/*******************************************/
//#include "main.h" 
#include "AHT20-21_DEMO_V1_3.h" 
#include "gpio.h"
#include "i2c.h"


void Delay_N10us(uint32_t t)//延时函数
{
  uint32_t k;

   while(t--)
  {
    for (k = 0; k < 2; k++);//110
  }
}

void SensorDelay_us(uint32_t t)//延时函数
{
		
	for(t = t-2; t>0; t--)
	{
		Delay_N10us(1);
	}
}

void Delay_4us(void)		//延时函数
{	
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
}
void Delay_5us(void)		//延时函数
{	
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);
	Delay_N10us(1);

}

void Delay_1ms(uint32_t t)		//延时函数
{
   while(t--)
  {
    SensorDelay_us(1000);//延时1ms
  }
}


//void AHT20_Clock_Init(void)		//延时函数
//{
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(CC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
//}

void SDA_Pin_Output_High(void)   //将PB7配置为输出 ， 并设置为高电平， PB7作为I2C的SDA
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB,& GPIO_InitStruct);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_SET);
}

void SDA_Pin_Output_Low(void)  //将P7配置为输出  并设置为低电平
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB,& GPIO_InitStruct);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_RESET);
}

void SDA_Pin_IN_FLOATING(void)  //SDA配置为浮空输入
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//浮空
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init( GPIOB,&GPIO_InitStruct);
}


void SCL_Pin_Output_High(void) //SCL输出高电平，P14作为I2C的SCL
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_SET);
}

void SCL_Pin_Output_Low(void) //SCL输出低电平
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);
}

void Init_I2C_Sensor_Port(void) //初始化I2C接口,输出为高电平
{	
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB,& GPIO_InitStruct);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_SET);

	
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//推挽输出
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB,& GPIO_InitStruct);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_SET);
	
}
void I2C_Start(void)		 //I2C主机发送START信号
{
	SDA_Pin_Output_High();
	SensorDelay_us(8);
	SCL_Pin_Output_High();
	SensorDelay_us(8);
	SDA_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);
	SCL_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);   
}


void AHT20_WR_Byte(uint8_t Byte) //往AHT20写一个字节
{
	uint8_t Data,N,i;	
	Data=Byte;
	i = 0x80;
	for(N=0;N<8;N++)
	{
		SCL_Pin_Output_Low(); 
		Delay_4us();	
		if(i&Data)
		{
			SDA_Pin_Output_High();
		}
		else
		{
			SDA_Pin_Output_Low();
		}	
			
    SCL_Pin_Output_High();
		Delay_4us();
		Data <<= 1;
		 
	}
	SCL_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);   
	SDA_Pin_IN_FLOATING();
	SensorDelay_us(8);	
}	


uint8_t AHT20_RD_Byte(void)//从AHT20读取一个字节
{
		uint8_t Byte,i,a;
	Byte = 0;
	SCL_Pin_Output_Low();
	
	SDA_Pin_IN_FLOATING();
	SensorDelay_us(8);	
	
	for(i=0;i<8;i++)
	{
    SCL_Pin_Output_High();
		
		Delay_5us();
		a=0;
		
		//if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_15)) a=1;
		if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_7)) a=1;
		Byte = (Byte<<1)|a;
		
		//SCL_Pin_Output_Low();
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);
		Delay_5us();
	}
  SDA_Pin_IN_FLOATING();
	SensorDelay_us(8);	
	return Byte;
}


uint8_t Receive_ACK(void)   //看AHT20是否有回复ACK
{
	uint16_t CNT;
	CNT = 0;
	SCL_Pin_Output_Low();	
	SDA_Pin_IN_FLOATING();
	SensorDelay_us(8);	
	SCL_Pin_Output_High();	
	SensorDelay_us(8);	
	while((HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_7))  && CNT < 100) 
	CNT++;
	if(CNT == 100)
	{
		return 0;
	}
 	SCL_Pin_Output_Low();	
	SensorDelay_us(8);	
	return 1;
}

void Send_ACK(void)		  //主机回复ACK信号
{
	SCL_Pin_Output_Low();	
	SensorDelay_us(8);	
	SDA_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);	
	SCL_Pin_Output_High();	
	SensorDelay_us(8);
	SCL_Pin_Output_Low();	
	SensorDelay_us(8);
	SDA_Pin_IN_FLOATING();
	SensorDelay_us(8);
}

void Send_NOT_ACK(void)	//主机不回复ACK
{
	SCL_Pin_Output_Low();	
	SensorDelay_us(8);
	SDA_Pin_Output_High();
	SensorDelay_us(8);
	SCL_Pin_Output_High();	
	SensorDelay_us(8);		
	SCL_Pin_Output_Low();	
	SensorDelay_us(8);
    SDA_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);
}

void Stop_I2C(void)	  //一条协议结束
{
	SDA_Pin_Output_Low();
	SensorDelay_us(8);
	SCL_Pin_Output_High();	
	SensorDelay_us(8);
	SDA_Pin_Output_High();
	SensorDelay_us(8);
}

uint8_t AHT20_Read_Status(void)//读取AHT20的状态寄存器
{

	uint8_t Byte_first;	
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x71);
	Receive_ACK();
	Byte_first = AHT20_RD_Byte();
	Send_NOT_ACK();
	Stop_I2C();
	return Byte_first;
}

uint8_t AHT20_Read_Cal_Enable(void)  //查询cal enable位有没有使能
{
	uint8_t val = 0;//ret = 0,
  val = AHT20_Read_Status();
	 if((val & 0x68)==0x08)
		 return 1;
   else  return 0;
 }

void AHT20_SendAC(void) //向AHT20发送AC命令
{

	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x70);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0xac);//0xAC采集命令
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x33);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	Stop_I2C();

}

//CRC校验类型：CRC8/MAXIM
//多项式：X8+X5+X4+1
//Poly：0011 0001  0x31
//高位放到后面就变成 1000 1100 0x8c
//C现实代码：
uint8_t Calc_CRC8(uint8_t *message,uint8_t Num)
{
	uint8_t i;
	uint8_t byte;
	uint8_t crc=0xFF;
  for(byte=0; byte<Num; byte++)
  {
    crc^=(message[byte]);
    for(i=8;i>0;--i)
    {
      if(crc&0x80) crc=(crc<<1)^0x31;
      else crc=(crc<<1);
    }
  }
        return crc;
}

void AHT20_Read_CTdata(uint32_t *ct) //没有CRC校验，直接读取AHT20的温度和湿度数据
{
		volatile uint8_t  Byte_1th=0;
	volatile uint8_t  Byte_2th=0;
	volatile uint8_t  Byte_3th=0;
	volatile uint8_t  Byte_4th=0;
	volatile uint8_t  Byte_5th=0;
	volatile uint8_t  Byte_6th=0;
	 uint32_t RetuData = 0;
	uint16_t cnt = 0;
	AHT20_SendAC();//向AHT10发送AC命令
	Delay_1ms(80);//延时80ms左右	
    cnt = 0;
	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
	{
		SensorDelay_us(1508);
		if(cnt++>=100)
		{
		 break;
		 }
	}
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x71);
	Receive_ACK();
	Byte_1th = AHT20_RD_Byte();//状态字，查询到状态为0x98,表示为忙状态，bit[7]为1；状态为0x1C，或者0x0C，或者0x08表示为空闲状态，bit[7]为0
	Send_ACK();
	Byte_2th = AHT20_RD_Byte();//湿度
	Send_ACK();
	Byte_3th = AHT20_RD_Byte();//湿度
	Send_ACK();
	Byte_4th = AHT20_RD_Byte();//湿度/温度
	Send_ACK();
	Byte_5th = AHT20_RD_Byte();//温度
	Send_ACK();
	Byte_6th = AHT20_RD_Byte();//温度
	Send_NOT_ACK();
	Stop_I2C();

	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&0xfffff;
	ct[1] =RetuData; //温度

}


void AHT20_Read_CTdata_crc(uint32_t *ct) //CRC校验后，读取AHT20的温度和湿度数据
{
		volatile uint8_t  Byte_1th=0;
	volatile uint8_t  Byte_2th=0;
	volatile uint8_t  Byte_3th=0;
	volatile uint8_t  Byte_4th=0;
	volatile uint8_t  Byte_5th=0;
	volatile uint8_t  Byte_6th=0;
	volatile uint8_t  Byte_7th=0;
	 uint32_t RetuData = 0;
	 uint16_t cnt = 0;
	// uint8_t  CRCDATA=0;
	 uint8_t  CTDATA[6]={0};//用于CRC传递数组
	
	AHT20_SendAC();//向AHT10发送AC命令
	Delay_1ms(80);//延时80ms左右	
    cnt = 0;
	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
	{
		SensorDelay_us(1508);
		if(cnt++>=100)
		{
		 break;
		}
	}
	
	I2C_Start();

	AHT20_WR_Byte(0x71);
	Receive_ACK();
	CTDATA[0]=Byte_1th = AHT20_RD_Byte();//状态字，查询到状态为0x98,表示为忙状态，bit[7]为1；状态为0x1C，或者0x0C，或者0x08表示为空闲状态，bit[7]为0
	Send_ACK();
	CTDATA[1]=Byte_2th = AHT20_RD_Byte();//湿度
	Send_ACK();
	CTDATA[2]=Byte_3th = AHT20_RD_Byte();//湿度
	Send_ACK();
	CTDATA[3]=Byte_4th = AHT20_RD_Byte();//湿度/温度
	Send_ACK();
	CTDATA[4]=Byte_5th = AHT20_RD_Byte();//温度
	Send_ACK();
	CTDATA[5]=Byte_6th = AHT20_RD_Byte();//温度
	Send_ACK();
	Byte_7th = AHT20_RD_Byte();//CRC数据
	Send_NOT_ACK();                           //注意: 最后是发送NAK
	Stop_I2C();
	
	if(Calc_CRC8(CTDATA,6)==Byte_7th)
	{
	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&0xfffff;
	ct[1] =RetuData; //温度
		
	}
	else
	{
		ct[0]=0x00;
		ct[1]=0x00;//校验错误返回值，客户可以根据自己需要更改
	}//CRC数据
}


void AHT20_Init(void)   //初始化AHT20
{	
	Init_I2C_Sensor_Port();
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x70);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0xa8);//0xA8进入NOR工作模式
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	Stop_I2C();

	Delay_1ms(10);//延时10ms左右

	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x70);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_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
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x08);//相关寄存器bit[3]置1，为校准输出
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	Stop_I2C();
	Delay_1ms(10);//延时10ms左右
}
void JH_Reset_REG(uint8_t addr)
{
	
	uint8_t Byte_first,Byte_second,Byte_third;
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x70);//原来是0x70
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(addr);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0x00);
	Receive_ACK();
	Stop_I2C();

	Delay_1ms(5);//延时5ms左右
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x71);//
	Receive_ACK();
	Byte_first = AHT20_RD_Byte();
	Send_ACK();
	Byte_second = AHT20_RD_Byte();
	Send_ACK();
	Byte_third = AHT20_RD_Byte();
	Send_NOT_ACK();
	Stop_I2C();
	
  Delay_1ms(10);//延时10ms左右
	I2C_Start();
	AHT20_WR_Byte(0x70);///
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(0xB0|addr);寄存器命令
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(Byte_second);
	Receive_ACK();
	AHT20_WR_Byte(Byte_third);
	Receive_ACK();
	Stop_I2C();
	
	Byte_second=0x00;
	Byte_third =0x00;
}

void AHT20_Start_Init(void)
{
	JH_Reset_REG(0x1b);
	JH_Reset_REG(0x1c);
	JH_Reset_REG(0x1e);
}

main

#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "AHT20-21_DEMO_V1_3.h" 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int fputc(int ch,FILE *f)//重新printf
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,0xFFFF);    
		while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET){
		}		
    return ch;
}
void SystemClock_Config(void);
volatile int  c1,t1;
uint32_t CT_data[2]={0,0};
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_I2C1_Init();	
	AHT20_Init();//放在其它之后
  if((AHT20_Read_Status()&0x18)!=0x18)
	{
		AHT20_Start_Init(); //重新初始化寄存器
		Delay_1ms(10);
	}


  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    推荐每隔大于1S读一次
    //AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data);  //crc校验后，读取AHT20的温度和湿度数据 
	  c1 = CT_data[0]*100*10/1024/1024;  //计算得到湿度值c1（放大了10倍）
	  t1 = CT_data[1]*200*10/1024/1024-500;//计算得到温度值t1（放大了10倍）	
		printf("湿度：%d%s",c1/10,"%");
	  printf("温度：%d%s",t1/10,"℃");
	  printf("\r\n");
		HAL_Delay(3000);

  }
 
}

五、实践结果：
在这里插入图片描述
温度变化是因为向传感器吹气。

六、总结

学习到了采集温湿度的相关操作。

七、参考文章

通过STM32Cube配置完成基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集
该文章介绍更为详细。

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