二十五、IIC实验

以SHT20温湿度传感器作为实验案例。通过软件IIC的方式与其进行通信，获取周围环境的温度与湿度状况。

1. 实验介绍

SHT20是一种数字式温湿度传感器，它采用电容式测量技术，具有高准确度和稳定性，并采用标准的I2C数字接口进行通信。SHT20的测量范围涵盖了温度-40到+125°C和相对湿度0到100%RH。它广泛应用于空气质量监测、气象监测、恒温恒湿控制、食品贮藏等领域。

SHT20温湿度传感器的相关参数，见下图：

2. 传感器与开发板接线

3. 软件IIC配置

一般使用软件I2C功能，都需要有以下几个步骤：

配置引脚
配置I2C时序
确定通信步骤

3.1 配置引脚

在使用软件实现I2C通信时，需要选择合适的引脚来作为数据线（SDA）和时钟线（SCL）。通常情况下，可以选择任何可编程的通用输入输出（GPIO）引脚作为软件I2C的引脚。对于软件I2C，需要至少两个引脚用于数据线（SDA）和时钟线（SCL），并确保这些引脚能够满足I2C通信协议的时序要求。以下是一般的引脚说明：

数据线（SDA）：用于传输数据的引脚。在软件I2C中，需要将该引脚设置为输出模式（用于主设备发送数据）与输入模式（用于主设备接收数据）。在通信期间，需要通过控制数据线的电平变化来实现数据的传输。
时钟线（SCL）：用于控制数据传输的时钟信号的引脚。在软件I2C中，需要将该引脚设置为输出模式，通过控制时钟线的电平变化来生成时钟脉冲，以控制数据线的传输。

需要注意的是，选取合适的引脚时要考虑以下几个方面：

支持输入/输出配置：引脚需要支持在软件中配置为输入或输出模式，并能够通过程序动态地进行切换。
硬件限制和冲突：确保选取的引脚没有被分配给其他硬件功能或外设，以避免冲突。
电气特性：引脚的电气特性应满足I2C总线的标准要求，例如正确的电平和驱动能力。

需要注意的是，软件I2C的实现需要更多的程序代码和计算，相对于硬件I2C，软件I2C在处理器效能和时序控制方面更加敏感。因此，在选择引脚时，还需要考虑处理器的性能和可编程性能。

为了保证代码的可维护性和可移植性，这里将相关的功能进行的宏定义。

SDA引脚和SCL引脚的宏定义如下：

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 * 2024-03-27     LCKFB-LP    first version
 */
#ifndef __BSP_SHT20_H__
#define __BSP_SHT20_H__

#include "stm32f10x.h"

#define RCC_SHT20                RCC_APB2Periph_GPIOB
#define PORT_SHT20               GPIOB

#define GPIO_SCL                 GPIO_Pin_6
#define GPIO_SDA                 GPIO_Pin_7

// 上拉输入模式
#define SDA_IN()         {      GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;\
                                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SDA;\
                                GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;\
                                GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStructure);\
                         }
// 开漏输出
#define SDA_OUT()         {     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;\
                                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SDA;\
                                GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;\
                                GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;\
                                GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStructure);\
                         }

#define SCL(BIT)          GPIO_WriteBit(PORT_SHT20, GPIO_SCL, BIT?Bit_SET:Bit_RESET)
#define SDA(BIT)          GPIO_WriteBit(PORT_SHT20, GPIO_SDA, BIT?Bit_SET:Bit_RESET)
#define SDA_GET()         GPIO_ReadInputDataBit(PORT_SHT20, GPIO_SDA)

void SHT20_GPIO_INIT(void);
float SHT20_Read(unsigned char regaddr);
void SHT20_MODE_SET( uint8_t __mode );

#endif

bsp_sht20.h文件

要操作 GPIO 引脚，必不可少的就是开启时钟、配置模式、配置输出、设置功能等，还是这一系列的操作。

引脚初始化配置如下：

void SHT20_GPIO_INIT(void)
{
      GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_SHT20, ENABLE);

      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_SCL|GPIO_SDA;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏输出
      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
      GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStructure);
}

3.2 配置IIC时序

关于I2C的时序部分，已在章节【IIC数据传输】进行说明，这里不在进行叙述。

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Start
 * 函 数 说 明：IIC起始信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
        SDA_OUT();

        SCL(0);
        SDA(1);
        SCL(1);

        delay_us(5);

        SDA(0);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        delay_us(5);

}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Stop
 * 函 数 说 明：IIC停止信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
        SDA_OUT();

        SCL(0);
        SDA(0);

        SCL(1);
        delay_us(5);
        SDA(1);
        delay_us(5);

}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Send_Ack
 * 函 数 说 明：主机发送应答
 * 函 数 形 参：0应答  1非应答
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Ack(uint8_t ack)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);
        delay_us(5);
        if(!ack) SDA(0);
        else     SDA(1);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        SDA(1);
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Wait_Ack
 * 函 数 说 明：等待从机应答
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：1=无应答   0=有应答
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
        char ack = 0;
        unsigned char ack_flag = 10;
        SDA_IN();
        SDA(1);
        delay_us(5);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) )
        {
              ack_flag--;
              delay_us(5);
        }

        if( ack_flag <= 0 )
        {
              IIC_Stop();
              return 1;
        }
        else
        {
              SCL(0);
              SDA_OUT();
        }
        return ack;
}
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Write
 * 函 数 说 明：IIC写一个字节
 * 函 数 形 参：dat写入的数据
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Write(uint8_t data)
{
      int i = 0;
      SDA_OUT();
      SCL(0);//拉低时钟开始数据传输

      for( i = 0; i < 8; i++ )
      {
            SDA( (data & 0x80) >> 7 );
            delay_us(2);
            data<<=1;
            delay_us(6);
            SCL(1);
            delay_us(4);
            SCL(0);
            delay_us(4);
      }
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Read
 * 函 数 说 明：IIC读1个字节
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：读出的1个字节数据
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
uint8_t IIC_Read(void)
{
      unsigned char i,receive=0;
      SDA_IN();//SDA设置为输入
      for(i=0;i<8;i++ )
      {
            SCL(0);
            delay_us(5);
            SCL(1);
            delay_us(5);
            receive<<=1;
            if( SDA_GET() )
            {
                  receive|=1;
            }
            delay_us(5);
      }

      return receive;
}

3.3 确定通信步骤

我们要实现的是通过案例SHT20温湿度传感器读取周围环境的温湿度情况。要进行I2C通信，需要知道其器件地址。并且了解如何与其进行通信。

SHT20温湿度传感器的I2C地址为0x80。I2C地址是一个用于在总线上识别设备的7位地址。对于SHT20传感器，其地址的最高7位已经预设为固定值0b1000_000（0b代表二进制）。最低一位用于标识读操作或写操作，读操作为1，写操作为0。因此，SHT20的I2C地址在写操作时可以表示为0b1000_0000（0x80），读操作时表示为0b1000_0001（0x81）。

测量命令

SHT20有两种测量模式可以选择，分别是主机模式与非主机模式。在主机模式下，在测量的过程中，SCL线被封锁（由传感器进行控制），我们作为主机无法操控I2C总线；在非主机模式下，当传感器在执行测量任务时，SCL线仍然保持开放状态，可进行其他通讯。非主机模式允许传感器进行测量时在总线上处理其他I2C总线通讯任务。

而在两种模式下，触发测量的命令也不相同，例如在主机模式下测量温度命令为0b1110_0011，即0xe3；在非主机模式下测量温度命令为0b1111_0011，即0xf3。

本案例使用的是非主机模式，故后续的测量温度和湿度命令为0b1111_0011（0xf3）和0b1111_0101（0xf5）。

命令集说明：

通信案例

在SHT20的数据手册中，有相关使用流程，因为本案例是使用非主机模式，故只说明非主机模式下的使用流程，关于主机模式的使用流程，可以查阅SHT20的数据手册。

在非主机模式下，MCU需要对传感器状态进行查询。此过程通过发送一个I2C起始信号，告诉总线开始通信。然后发送器件地址+写操作（0x80,对应下图中的bit1~bit8），等待传感器应答。如果传感器没有应答，请注意设备的实物连线情况是否正确。待传感器应答之后发送对应的命令（对应下图中的bit10~bit17），具体命令见【上图命令集说明】。

之后紧接着是如下图所示的IC首字节（0b1000_0001）来完成。如果内部处理工作完成，单片机查询到传感器发出的确认信号后，相关数据就可以通过MCU进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器无确认位（ACK）输出，此时必须重新发送启动传输时序。

无论哪种传输模式，由于测量的最大分辨率为14位，第二个字节SDA上的后两位LSBs（bit43和44）用来传输相关的状态信息。两个LSBs 中的bit1表明测量的类型（'0'：温度;'1'：湿度）。bit0位当前没有赋值即无意义。

非主机模式通信流程：

读取温湿度配置

根据数据手册中的通信案例，我们可以验证实现读取温湿度功能。我们以读取非主机模式的温度为例。

根据【非主机模式通信流程】所示，在开始通信之前，我们需要发送起始信号S和器件地址+写（图中的bit1~bit8）,发送完成之后，等待从机应答。

IIC_Start();//发送起始信号
IIC_Send_Byte(0X80);//发送器件地址加写
//如果返回非应答，则串口提示失败-1
if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("receive fail -1\r\n");

发送对应的命令（对应图2-3-3中的bit10~bit17），具体命令见【命令集说明】，本案例发送的是测量温度命令，对应代码中的0xf3。发送完成后，等待从机应答，确定发送成功。

IIC_Send_Byte(0Xf3);//发送非主机模式读取温度命令
//如果返回非应答，则串口提示失败-2
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
{
    printf("receive fail -2\r\n");
}

重新发送起始信号与器件地址加读0X81（对应图中的bit19~bit26），告诉传感器要开始读取温度数据。传感器接收到后，就开始采集工作。如果传感器内部处理工作完成，单片机查询到传感器发出的确认信号ACK（bit27）后，相关数据就可以通过MCU进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器输出非应答位NACK（bit27），此时必须重新发送启动传输时序。

//发送起始信号与器件地址+读
do
{
      delay_us(10);//等待传感器采集
      IIC_Start(); //起始信号
      IIC_Send_Byte(0X81);//器件地址+读
} //如果返回非应答信号，则重复发送起始信号和器件地址+读
while( IIC_Wait_Ack() == 1 ); //等待应答

接收传感器输出的数据高8位和低8位。代码中的变量data_msb、data_lsb和check分别代表数据高8位、数据低8位、校验数据。

data_msb = IIC_Read_Byte();//读取第一个字节
IIC_Send_Ack();            //发送应答
data_lsb = IIC_Read_Byte();//读取第二个字节
IIC_Send_Ack();            //发送应答
check = IIC_Read_Byte();   //读取第三个字节
IIC_Send_Nack();           //发送非应答
IIC_Stop();                //发送停止信号

将接收到的数据进行整合为16位数据，并且根据数据手册的要求，将最后两位的状态位清零。即低8位的最后两位状态位清零。Dat为16位的变量。

//数据整合
dat = data_msb<<8;   //整合高8位
dat = dat | data_lsb;//整合低8位
dat &= ~(0x03);      //将最后两位状态位清除

数据换算。根据数据手册换算出实际的温度数据。

相对湿度的转换公式为：

温度的转换公式为：

其中的 S(T)和S(RH )表示的是传感器输出的高低位整合后的16位数据。

//数据换算
//temp为浮点型变量，2的16次方为65536
temp = ( dat / 65536.0 ) * 175.72 - 46.85;

将以上步骤的代码进行整合封装，并添加获取湿度部分，得到以下函数。

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：SHT20_Read
 * 函 数 说 明：测量温湿度
 * 函 数 形 参：regaddr寄存器地址 regaddr=0xf3测量温度 =0xf5测量湿度
 * 函 数 返 回：regaddr=0xf3时返回温度，regaddr=0xf5时返回湿度
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
float SHT20_Read(uint8_t regaddr)
{
    unsigned char data_H = 0;
    unsigned char data_L = 0;
    float temp = 0;
    IIC_Start();
    IIC_Write(0x80|0);
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("error -1\r\n");
    IIC_Write(regaddr);
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("error -2\r\n");

    do{
    delay_us(10);
    IIC_Start();
    IIC_Write(0x80|1);

    }while( IIC_Wait_Ack() == 1 );

    delay_us(20);

    data_H = IIC_Read();
    IIC_Send_Ack(0);
    data_L = IIC_Read();
    IIC_Send_Ack(1);
    IIC_Stop();

    if( regaddr == 0xf3 )
    {
        temp = ((data_H<<8)|data_L) / 65536.0 * 175.72 - 46.85;
    }
    if( regaddr == 0xf5 )
    {
        temp = ((data_H<<8)|data_L) / 65536.0 * 125.0 - 6;
    }
   return temp;

}

4. 软件IIC验证

在main.c中调用SHT20_Read函数，采集周围环境的温湿度。

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 * 2024-03-27     LCKFB-LP    first version
 */
#include "stm32f10x.h"
#include "board.h"
#include "bsp_uart.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_sht20.h"

int main(void)
{

    board_init();

    uart1_init(115200);

    //引脚初始化
    SHT20_GPIO_INIT();

    //等待传感器上电初始化完成
    delay_ms(20);

        while(1)
        {
        //采集温度
        printf("温度 = %.2f\r\n", SHT20_Read(0xf3) );
        //采集湿度
        printf("湿度 = %.2f\r\n", SHT20_Read(0xf5) );

        printf("\r\n");
        delay_ms(500);
        }

}

串口输出结果：

⭐注意

关于这一章节的代码百度网盘下载，在立创·STM32F103C8T6开发板资料（标准库）/第03章软件资料/代码例程/012软件I2C(SHT20)。

标准库入门教程资料

模块移植手册

显示类

传感器类

无线通信类

控制类

二十五、IIC实验

1. 实验介绍

2. 传感器与开发板接线

3. 软件IIC配置

3.1 配置引脚

3.2 配置IIC时序

3.3 确定通信步骤

4. 软件IIC验证

显示类

传感器类

无线通信类

控制类

二十五、IIC实验 ​

1. 实验介绍 ​

2. 传感器与开发板接线 ​

3. 软件IIC配置 ​

3.1 配置引脚 ​

3.2 配置IIC时序 ​

3.3 确定通信步骤 ​

4. 软件IIC验证 ​

二十五、IIC实验

1. 实验介绍

2. 传感器与开发板接线

3. 软件IIC配置

3.1 配置引脚

3.2 配置IIC时序

3.3 确定通信步骤

4. 软件IIC验证