STM32开发实战—基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集_stm32 aht20

前言

在嵌入式系统和物联网领域，STM32微控制器因其高效性能和广泛的应用支持而受到开发者的青睐。为了进一步扩展其功能，我们可以通过添加外部传感器来实现更多的数据处理和控制功能。AHT20温湿度传感器是一种常见的环境监测设备，它可以通过I2C协议与STM32微控制器进行通信，从而实现对环境温湿度数据的采集。

本实验将介绍如何使用STM32微控制器和AHT20温湿度传感器进行基于I2C协议的数据采集。通过本实验，我们将学习如何在STM32上设置I2C通信，如何初始化AHT20传感器，以及如何读取和解析AHT20发送的温湿度数据。此外，我们还将探讨如何通过编程方式将采集到的数据上传到计算机或云平台进行存储和分析。

通过本实验，我们将深入了解STM32微控制器和AHT20温湿度传感器的工作原理和应用方法。通过实际操作，我们将掌握基于I2C协议的数据采集方法，并提高我们的嵌入式系统和物联网应用开发能力。同时，本实验还将提供一些实战技巧和经验，帮助我们在开发过程中更好地解决可能出现的问题。

“软件I2C”和“硬件I2C”

软件I2C和硬件I2C是两种不同的实现方式，用于在嵌入式系统和电子设备中进行I2C通信。

软件I2C

软件I2C是通过软件控制GPIO引脚来模拟I2C通信的方式。

硬件I2C

硬件I2C是通过专门的硬件电路来实现I2C通信的方式。

选择使用软件I2C还是硬件I2C取决于具体的应用需求和硬件环境。通常情况下，如果硬件上已经有集成的硬件I2C接口，建议使用硬件I2C以提供更高的性能和可靠性。而在无法使用硬件I2C接口或需要在特定环境下模拟I2C通信时，可以选择使用软件I2C。


从图中可以看出I2C在通讯的时候，只有在SCL处于高电平时，SDA的数据传输才是有效的。SDA 信号线是用于传输数据，SCL 信号线是保证数据同步。
当SDA传输数据后，接收方对接受到的数据进行一个应答。如果希望继续进行传输数据，则回应应答信号（低电平），否则回应非应答信号（高电平）。

AHT20温湿度传感器

AHT20是一款数字式温湿度传感器，具有高精度、快速响应和低功耗的特点。它采用先进的CMOSens®技术，能够准确测量环境的温度和湿度，并通过I2C接口与主控设备进行通信。

AHT20主要特点

• 高精度测量：AHT20传感器具有出色的温度和湿度测量精度，可达到±0.3°C的温度精度和±2%的湿度精度。
• 快速响应：AHT20传感器能够在快速响应时间内提供准确的温湿度数据，响应时间仅为8毫秒。
• 低功耗：AHT20传感器采用超低功耗设计，工作电流仅为3μA，有效延长电池寿命。
• 广温范围：AHT20传感器能够在-40°C至+85°C的广泛温度范围内提供稳定和可靠的测量。
• 数字输出：AHT20传感器通过I2C接口输出数字信号，与主控设备进行通信和数据交互。
• 校准和线性化：AHT20传感器在出厂前进行了校准和线性化处理，提供了准确的测量结果。
  

AHT20参数

以下是AHT20温湿度传感器的主要参数：

应用领域

AHT20温湿度传感器广泛应用于各种领域，例如：

• 室内环境监测
• 智能家居系统
• 农业和温室监测
• 仪器仪表和工业自动化
• 天气站和气象观测

AHT20传感器的高精度、快速响应和低功耗特点使其成为温湿度测量的理想选择。

STM32基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集

思路

1. 硬件连接：
   • 将STM32与AHT20温湿度传感器通过I2C总线连接。
   • 确保STM32的I2C引脚（如SDA和SCL）与AHT20传感器的对应引脚相连。
2. 初始化I2C：
   • 在STM32的代码中，初始化I2C总线，配置STM32的I2C引脚和参数。
   • 设置I2C的时钟频率和其他相关参数。
3. 配置AHT20传感器：
   • 发送I2C启动信号，并发送AHT20传感器的I2C地址。
   • 向AHT20传感器发送配置命令，例如设置测量模式和频率等。
4. 读取温湿度数据：
   • 向AHT20传感器发送读取数据的命令。
   • 从AHT20传感器接收温湿度数据，可以通过I2C的读取操作完成。
   • 解析接收到的数据，获取温湿度值。
5. 处理数据：
   • 将接收到的原始数据转换为实际的温度和湿度值。
   • 可以使用AHT20传感器提供的公式和计算方法进行转换。
6. 输出数据：
   • 将获取的温湿度值通过串口、LCD显示屏或其他外设进行输出。
   • 可以通过串口发送数据到计算机进行实时监测和记录。
7. 循环采集：
   • 在代码中设置循环，以固定的时间间隔重复执行数据采集和处理操作。
   • 可以使用延时函数或定时器来控制采集频率。

以上是一个基本的实验思路，可以根据具体的STM32开发板和编程环境进行相应的配置和代码编写。在实际实验中，还需要注意电源供应、信号线连接的正确性以及根据AHT20传感器的数据手册来正确配置和读取传感器的数据。

代码

bsp_i2c.c

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

uint8_t   ack_status=0;
uint8_t   readByte[6];
uint8_t   AHT20_status=0;

uint32_t  H1=0;  //Humility
uint32_t  T1=0;  //Temperature

uint8_t  AHT20_OutData[4];
uint8_t  AHT20sendOutData[10] = {0xFA, 0x06, 0x0A, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF};

void IIC_Init(void)
{					     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );	
	   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //¨ª?¨ª¨¬¨º?3?
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;
 
}
//2¨²¨¦¨²IIC?e¨º?D?o?
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sda??¨º?3?
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;//?¡¥¡Á?I2C¡Á¨¹??¡ê?¡Á?¡À?¡¤¡é?¨ª?¨°?¨®¨º?¨ºy?Y 
}	  
//2¨²¨¦¨²IIC¨ª¡ê?1D?o?
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sda??¨º?3?
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;//¡¤¡é?¨ªI2C¡Á¨¹???¨¢¨º?D?o?
	delay_us(4);							   	
}
//¦Ì¨¨¡äy¨®|¡äeD?o?¦Ì?¨¤¡ä
//¡¤¦Ì???¦Ì¡êo1¡ê??¨®¨º?¨®|¡äe¨º¡ì¡ã¨¹
//        0¡ê??¨®¨º?¨®|¡äe3¨¦1|
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDA¨¦¨¨???a¨º?¨¨?  
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//¨º¡À?¨®¨º?3?0 	   
	return 0;  
} 
//2¨²¨¦¨²ACK¨®|¡äe
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}
//2?2¨²¨¦¨²ACK¨®|¡äe		    
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}					 				     
//IIC¡¤¡é?¨ª¨°???¡Á??¨²
//¡¤¦Ì??¡ä¨®?¨²¨®D?T¨®|¡äe
//1¡ê?¨®D¨®|¡äe
//0¡ê??T¨®|¡äe			  
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
		SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//¨¤-¦Ì¨ª¨º¡À?¨®?a¨º?¨ºy?Y¡ä?¨º?
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //??TEA5767?a¨¨y???¨®¨º¡À??¨º?¡À?D?¦Ì?
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
} 	    
//?¨¢1??¡Á??¨²¡ê?ack=1¨º¡À¡ê?¡¤¡é?¨ªACK¡ê?ack=0¡ê?¡¤¡é?¨ªnACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDA¨¦¨¨???a¨º?¨¨?
  for(i=0;i<8;i++ )
	{
    IIC_SCL=0; 
    delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
    receive<<=1;
    if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
  }					 
	if (!ack)
			IIC_NAck();//¡¤¡é?¨ªnACK
	else
			IIC_Ack(); //¡¤¡é?¨ªACK   
	return receive;
}
 
void IIC_WriteByte(uint16_t addr,uint8_t data,uint8_t device_addr)
{
	IIC_Start();  
	
	if(device_addr==0xA0) //eeprom¦Ì??¡¤¡ä¨®¨®¨²1¡Á??¨²
		IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));//¡¤¡é?¨ª??¦Ì??¡¤
	else
		IIC_Send_Byte(device_addr);	    //¡¤¡é?¡Â?t¦Ì??¡¤
	IIC_Wait_Ack(); 
	IIC_Send_Byte(addr&0xFF);   //¡¤¡é?¨ª¦Ì¨ª¦Ì??¡¤
	IIC_Wait_Ack(); 
	IIC_Send_Byte(data);     //¡¤¡é?¨ª¡Á??¨²							   
	IIC_Wait_Ack();  		    	   
  IIC_Stop();//2¨²¨¦¨²¨°???¨ª¡ê?1¨¬??t 
	if(device_addr==0xA0) //
		delay_ms(10);
	else
		delay_us(2);
}
 
uint16_t IIC_ReadByte(uint16_t addr,uint8_t device_addr,uint8_t ByteNumToRead)  //?¨¢??¡ä??¡Â?¨°?¨¢¨ºy?Y
{	
		uint16_t data;
		IIC_Start();  
		if(device_addr==0xA0)
			IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));
		else
			IIC_Send_Byte(device_addr);	
		IIC_Wait_Ack();
		IIC_Send_Byte(addr&0xFF);   //¡¤¡é?¨ª¦Ì¨ª¦Ì??¡¤
		IIC_Wait_Ack(); 
 
		IIC_Start();  	
		IIC_Send_Byte(device_addr+1);	    //¡¤¡é?¡Â?t¦Ì??¡¤
		IIC_Wait_Ack();
		if(ByteNumToRead == 1)//LM75???¨¨¨ºy?Y?a11bit
		{
			data=IIC_Read_Byte(0);
		}
		else
			{
				data=IIC_Read_Byte(1);
				data=(data<<8)+IIC_Read_Byte(0);
			}
		IIC_Stop();//2¨²¨¦¨²¨°???¨ª¡ê?1¨¬??t	    
		return data;
}


/**********
*¨¦???2?¡¤??aIO?¨²?¡ê?¨¦I2C????
*
*¡ä¨®?a¨°????a¨º??aAHT20¦Ì?????I2C
*o¡¥¨ºy??¨®DIICo¨ªI2C¦Ì???¡Àe¡ê???¡Á¡é¨°a¡ê?¡ê?¡ê?¡ê?¡ê?
*
*2020/2/23¡Á?o¨®DT??¨¨??¨²
*
***********/
void  read_AHT20_once(void)
{
	delay_ms(10);

	reset_AHT20();
	delay_ms(10);

	init_AHT20();
	delay_ms(10);

	startMeasure_AHT20();
	delay_ms(80);

	read_AHT20();
	delay_ms(5);
}


void  reset_AHT20(void)
{

	I2C_Start();

	I2C_WriteByte(0x70);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("1");
	else printf("1-n-");
	I2C_WriteByte(0xBA);
	ack_status = Receive_ACK();
		if(ack_status) printf("2");
	else printf("2-n-");
	I2C_Stop();

	/*
	AHT20_OutData[0] = 0;
	AHT20_OutData[1] = 0;
	AHT20_OutData[2] = 0;
	AHT20_OutData[3] = 0;
	*/
}



void  init_AHT20(void)
{
	I2C_Start();

	I2C_WriteByte(0x70);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("3");
	else printf("3-n-");	
	I2C_WriteByte(0xE1);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("4");
	else printf("4-n-");
	I2C_WriteByte(0x08);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("5");
	else printf("5-n-");
	I2C_WriteByte(0x00);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("6");
	else printf("6-n-");
	I2C_Stop();
}



void  startMeasure_AHT20(void)
{
	//------------
	I2C_Start();

	I2C_WriteByte(0x70);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("7");
	else printf("7-n-");
	I2C_WriteByte(0xAC);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("8");
	else printf("8-n-");
	I2C_WriteByte(0x33);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("9");
	else printf("9-n-");
	I2C_WriteByte(0x00);
	ack_status = Receive_ACK();
	if(ack_status) printf("10");
	else printf("10-n-");
	I2C_Stop();
}



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");

	}
	printf("\r\n");
	printf("ζÈ:%d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);
	printf("ʪ¶È:%d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);
	printf("\r\n");
}




uint8_t  Receive_ACK(void)
{
	uint8_t result=0;
	uint8_t cnt=0;

	IIC_SCL = 0;
	SDA_IN(); 
	delay_us(4);

	IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);

	while(READ_SDA && (cnt<100))
	{
		cnt++;
	}

	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	if(cnt<100)
	{
		result=1;
	}
	return result;
}



void  Send_ACK(void)
{
	SDA_OUT();
	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);

	IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	SDA_IN();
}



void  SendNot_Ack(void)
{
	SDA_OUT();
	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	IIC_SDA = 1;
	delay_us(4);

	IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);

	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);
}


void I2C_WriteByte(uint8_t  input)
{
	uint8_t  i;
	SDA_OUT();
	for(i=0; i<8; i++)
	{
		IIC_SCL = 0;
		delay_ms(5);

		if(input & 0x80)
		{
			IIC_SDA = 1;
			//delaymm(10);
		}
		else
		{
			IIC_SDA = 0;
			//delaymm(10);
		}

		IIC_SCL = 1;
		delay_ms(5);

		input = (input<<1);
	}

	IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);

	SDA_IN();
	delay_us(4);
}	


uint8_t I2C_ReadByte(void)
{
	uint8_t  resultByte=0;
	uint8_t  i=0, a=0;

	IIC_SCL = 0;
	SDA_IN();
	delay_ms(4);

	for(i=0; i<8; i++)
	{
		IIC_SCL = 1;
		delay_ms(3);

		a=0;
		if(READ_SDA)
		{
			a=1;
		}
		else
		{
			a=0;
		}

		//resultByte = resultByte | a;
		resultByte = (resultByte << 1) | a;

		IIC_SCL = 0;
		delay_ms(3);
	}

	SDA_IN();
	delay_ms(10);

	return   resultByte;
}


void  set_AHT20sendOutData(void)
{
	/* --------------------------
	 * 0xFA 0x06 0x0A temperature(2 Bytes) humility(2Bytes) short Address(2 Bytes)
	 * And Check (1 byte)
	 * -------------------------*/
	AHT20sendOutData[3] = AHT20_OutData[0];
	AHT20sendOutData[4] = AHT20_OutData[1];
	AHT20sendOutData[5] = AHT20_OutData[2];
	AHT20sendOutData[6] = AHT20_OutData[3];

//	AHT20sendOutData[7] = (drf1609.shortAddress >> 8) & 0x00FF;
//	AHT20sendOutData[8] = drf1609.shortAddress  & 0x00FF;

//	AHT20sendOutData[9] = getXY(AHT20sendOutData,10);
}


void  I2C_Start(void)
{
	SDA_OUT();
	IIC_SCL = 1;
	delay_ms(4);

	IIC_SDA = 1;
	delay_ms(4);
	IIC_SDA = 0;
	delay_ms(4);

	IIC_SCL = 0;
	delay_ms(4);
}



void  I2C_Stop(void)
{
	SDA_OUT();
	IIC_SDA = 0;
	delay_ms(4);

	IIC_SCL = 1;
	delay_ms(4);

	IIC_SDA = 1;
	delay_ms(4);
}
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main.c

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_i2c.h"
#include "stm32f10x.h"                  // Device header


int main(void)
{	
	delay_init();     //?¨®¨º¡Ào¡¥¨ºy3?¨º??¡¥	  
	uart_init(115200);	 //¡ä??¨²3?¨º??¡¥?a115200
	IIC_Init();
		while(1)
	{
		printf("温度湿度显示：");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(1500);
  }
}
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实验效果

为了更好的输出效果，将数据输出到了OLED显示屏上，OLED显示屏的用法，见下篇文章（暂未发布，敬请期待）

总结

在本次实验中，我们学习了如何使用STM32开发板通过I2C协议来采集AHT20温湿度传感器的数据。
首先，我们了解了I2C协议的基本原理和通信过程。I2C是一种串行通信协议，使用两条线路（SDA和SCL）进行数据传输。其中，SDA线用于数据传输，SCL线用于时钟同步。
接下来，我们连接了AHT20传感器到STM32开发板上的I2C总线，并在代码中初始化了I2C控制器。然后，我们通过发送I2C Start信号、发送设备地址、发送寄存器地址、发送数据等步骤，实现了与AHT20传感器的通信。
在数据采集方面，我们通过读取AHT20传感器的温度和湿度寄存器，获取了实时的温湿度数据。然后，我们对原始的数据进行了处理和转换，得到了可读性更好的温湿度数值。
最后，我们将采集到的温湿度数据通过串口输出，以便进一步的数据分析和处理。
通过本次实验，我们掌握了基于I2C协议的AHT20温湿度传感器的数据采集方法。这对于我们在实际项目中应用温湿度传感器、进行环境监测等方面具有重要意义。
我们还可以进一步拓展这个实验，例如将采集到的数据存储到SD卡或云平台上，实现远程监控和数据分析等功能。
总的来说，本次实验帮助我们深入理解了I2C协议的应用和AHT20温湿度传感器的工作原理，为我们后续的物联网和嵌入式系统开发提供了很好的基础。