2.51 AHT21 温湿度传感器

2.51.1 模块来源

采购链接： AHT21 数字温湿度传感器模块 AHT21B I2C 通讯响应迅速 抗干扰强 资料下载链接： https://pan.baidu.com/s/12rCrA8ozeorLzBcYHk-PPg 提取码：CJ68

**图 2.51.1-1 产品实物展示**

2.51.2 规格参数

**工作电压：**2.2-5.5V **工作电流：**250~980uA 温度测量范围：-40~80℃ 温度测量精度：±0.5℃ **湿度测量范围：**0~100%RH 湿度测量精度：±3%RH **通信方式: **IIC **管脚数量：**4 Pin 文件 2.51.2-1 产品规格书

2.51.3 移植过程

我们的目标是在梁山派 GD32F470 上能够测量温湿度的功能。首先要获取资料，查看数据手册应如何实现，再移植至我们的工程。

2.51.3.1 查看资料

模块应用电路

AHT21 地址

数据手册上说明，在启动传输后，随后传输的 IIC 首字节包括 7 位的 IIC 设备地址 0x38 和一个 SDA 方向位 x(读 R：‘1'，写 W:‘0’)。所以根据是写命令还是读命令又分有两个地址。写时的地址：0X70；读时的地址：0X71。

传感器读取流程

1. 上电后要等待不少于 100ms，读取温湿度值之前，通过发送 0x71 获取一个字节的 状态字，如果状态字和 0x18 相与后不等于 0x18，初始化 0x1B、0x1C、0x1E 寄存器，详细 初始化流程请参照我司官网例程；如果相等，执行下一步。
2. 2.等待 10ms 发送 0xAC 命令(触发测量)，此命令参数有两个字节，第一个字节为 0x33， 第二个字节为 0x00。
3. 3.等待 80ms 待测量完成,如果读取状态字 Bit[7]为 0，表示测量完成，然后可以连续 读取六个字节；否则继续等待。
4. 4.当接收完六个字节后，紧接着下一个字节是 CRC 校验数据，用户可以根据需要读 出，如果接收端需要 CRC 校验，则在接收完第六个字节后发 ACK 应答，否则发 NACK 结束， CRC 初始值为 0XFF,CRC8 校验多项式为： CRC[7:0]=1+x 4 + x 5 + x 8 5.计算温湿度值。

注：在第一步的校准状态检验只需要上电时检查，在正常采集过程无需操作。

传感器在采集时需要时间,主机发出测量指令（0xAC）后,延时 80 毫秒以上再读 取转换后的数据并判断返回的状态位是否正常。若状态比特位[Bit7]为 0 代表数据可正常读取,为 1 时传感器为忙状态,主机需要等待数据处理完成

数据处理

我们接收完成数据之后，还要将数据进行整理，再转换为我们实际的温湿度数据。

其中的 Srh、St 代表的是读取到的 20 位数据。

2.51.3.2 引脚选择

######### AHT21	######### 立创·梁山派	######### 接线图

| SDA | PD5 | | | GND | GND | | | SCL | PD4 | | | **表 2.51.3.2 各引脚连接** | | |

2.51.3.3 移植至工程

移植步骤中的导入.c 和.h 文件与上一节相同，只是将.c 和.h 文件更改为 bsp_aht21.c 与 bsp_aht21.h。见 2.2.3.3 移植至工程。这里不再过多讲述。移植完成后面修改相关代码。

在文件 bsp_aht21.c 中，编写如下代码。

/********************************************************************************
   * 测试硬件：立创·梁山派开发板GD32F470ZGT6    使用主频200Mhz    晶振25Mhz
   * 版 本 号: V1.0
   * 修改作者: LCKFB
   * 修改日期: 2023年08月04日
   * 功能介绍:
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 *********************************************************************************/

#include "bsp_aht21.h"
#include "systick.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "stdio.h"

static float temperature = 0;
static float humidity = 0;
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：aht21_gpio_init
 * 函 数 说 明：对AHT21的IIC引脚初始化
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：
******************************************************************/
void aht21_gpio_init(void)
{
    //打开SDA与SCL的引脚时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AHT21_SCL);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AHT21_SDA);

    //设置SCL引脚模式为上拉输出
    gpio_mode_set(PORT_AHT21_SCL, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_AHT21_SCL);
    //设置引脚为开漏模式，翻转速度2MHz
    gpio_output_options_set(PORT_AHT21_SCL, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_AHT21_SCL);
    //设置引脚输出高电平SCL等待信号
    gpio_bit_write(PORT_AHT21_SCL, GPIO_AHT21_SCL, SET);

    //设置SDA引脚
    gpio_mode_set(PORT_AHT21_SDA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_AHT21_SDA);
    gpio_output_options_set(PORT_AHT21_SDA, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_AHT21_SDA);
    gpio_bit_write(PORT_AHT21_SDA, GPIO_AHT21_SDA, SET);
}



/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Start
 * 函 数 说 明：发送起始信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
        SDA_OUT();
        SDA(1);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        SDA(0);
        delay_1us(5);
        SCL(0);
        delay_1us(5);
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Stop
 * 函 数 说 明：停止信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        SDA(1);
        delay_1us(5);
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Send_Nack
 * 函 数 说 明：发送非应答
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Nack(void)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);
        SDA(1);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        SCL(0);
        SDA(0);
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Send_Ack
 * 函 数 说 明：发送应答
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Ack(void)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(1);
        SDA(0);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        SCL(0);
        SDA(1);
}


/**********************************************************
 * 函 数 名 称：I2C_WaitAck
 * 函 数 功 能：等待从机应答
 * 传 入 参 数：无
 * 函 数 返 回：1=非应答         0=应答
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
**********************************************************/
unsigned char I2C_WaitAck(void)
{
        char ack = 0;
        unsigned char ack_flag = 10;
        SCL(0);
        SDA(1);
        SDA_IN();
        delay_1us(5);
        SCL(1);
    delay_1us(5);

        while( (GETSDA()==1)  &&  ( ack_flag ) )
        {
                ack_flag--;
                delay_1us(5);
        }

        //非应答
        if( ack_flag <= 0 )
        {
                IIC_Stop();
                return 1;
        }
        else//应答
        {
                SCL(0);
                SDA_OUT();
        }
        return ack;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Send_Byte
 * 函 数 说 明：发送一个字节
 * 函 数 形 参：dat：发送的字节数据
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Byte(uint8_t dat)
{
        int i = 0;
        SDA_OUT();
        SCL(0);

        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
                SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
                delay_1us(1);
                SCL(1);
                delay_1us(5);
                SCL(0);
                delay_1us(5);
                dat<<=1;
        }
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Read_Byte
 * 函 数 说 明：接收一个字节
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：接收到的数据
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
unsigned char IIC_Read_Byte(void)
{
        unsigned char i,receive=0;
        SDA_IN();//SDA设置为输入
        for(i=0;i<8;i++ )
        {
                SCL(0);
                delay_1us(5);
                SCL(1);
                delay_1us(5);
                receive<<=1;
                if( GETSDA() )
                {
                        receive |= 1;
                }
        }
        SCL(0);
        return receive;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：aht21_read_status
 * 函 数 说 明：读取AHT21的状态寄存器
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：读取到的状态数据
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
uint8_t aht21_read_status(void)
{
    uint8_t status_register_address = 0x71;

        uint8_t status_byte;

        IIC_Start();

    IIC_Send_Byte( status_register_address );
    if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("warning -1\r\n");

        status_byte = IIC_Read_Byte();
        IIC_Send_Nack();
        IIC_Stop();

        return status_byte;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：aht21_send_gather_command
 * 函 数 说 明：向AHT21发送采集命令
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：1：器件识别失败
 *              2：发送采集命令失败
 *              3：发送数据1失败
 *              4：发送数据2失败
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
uint8_t aht21_send_gather_command(void)
{
    uint8_t device_addr = 0x70;//器件地址
    uint8_t gather_command = 0xac;//采集命令
    uint8_t gather_command_parameter_1 = 0x33;//采集参数1
    uint8_t gather_command_parameter_2 = 0x00;//采集参数2

    IIC_Start();
        IIC_Send_Byte(device_addr);//发送器件地址
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) return 1;
        IIC_Send_Byte(gather_command);//发送采集命令
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) return 2;
        IIC_Send_Byte(gather_command_parameter_1);//发送采集参数1
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) return 3;
        IIC_Send_Byte(gather_command_parameter_2);//发送采集参数2
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) return 4;
        IIC_Stop();
    return 0;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：aht21_device_init
 * 函 数 说 明：通过命令字节初始化AHT21
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
void aht21_device_init(void)
{
    uint8_t device_addr = 0x70;//器件地址
    uint8_t init_command = 0xBE;//初始化命令
    uint8_t init_command_parameter_1 = 0x08;//采集参数1
    uint8_t init_command_parameter_2 = 0x00;//采集参数2

    IIC_Start();
        IIC_Send_Byte(device_addr);//发送器件地址
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("warning -5\r\n");
        IIC_Send_Byte(init_command);//发送初始化命令
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("warning -6\r\n");
        IIC_Send_Byte(init_command_parameter_1);//发送初始化参数1
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("warning -7\r\n");
        IIC_Send_Byte(init_command_parameter_2);//发送初始化参数2
        if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("warning -8\r\n");
        IIC_Stop();
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：aht21_read_data
 * 函 数 说 明：读取温湿度
 * 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：1：未校准  2：读取超时  0：读取成功
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：无
******************************************************************/
char aht21_read_data(void)
{
    uint8_t data[6] = {0};
    uint32_t temp = 0;

    uint8_t aht21_status_byte = 0;
    uint8_t timeout = 0;
    //读取AHT21的状态
    aht21_status_byte = aht21_read_status();
    //如果未校准，则返回1
    if( (aht21_status_byte & (1<<3)) == 0 )
    {
        aht21_device_init();
        delay_1ms(50);
        return 1;
    }

    //发送采集命令
    aht21_send_gather_command();

    do
    {
        delay_1ms(1);
        timeout++;
        //读取AHT21的状态
        aht21_status_byte = aht21_read_status();
    }while( ( ( aht21_status_byte & (1<<7) ) != 0 ) && ( timeout >= 80 ) );
    //如果读取超时，则返回2
    if( timeout >= 80 ) return 2;

    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(0x71);
    if( I2C_WaitAck() == 1 ) printf("error -1\r\n");
        IIC_Read_Byte();//读取状态,不需要保存
        IIC_Send_Ack();

    //读取6位数据
    data[0] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Ack();
    data[1] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Ack();
    data[2] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Ack();
    data[3] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Ack();
    data[4] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Ack();
    data[5] = IIC_Read_Byte();
    IIC_Send_Nack();

    IIC_Stop();

    //整合湿度数据
    temp = (data[0]<<12) | (data[1]<<4);
    temp = temp | (data[2]>>4);
    //换算湿度数据
    //2的20次方 = 1048576
    humidity = temp / 1048576.0 * 100.0;


    //整合湿度数据
    temp = ( (data[2]&0x0f)<< 16 ) | (data[3]<<8);
    temp = temp | data[4];
    //换算湿度数据
    //2的20次方 = 1048576
    temperature = temp / 1048576.0 * 200.0 - 50;

    return 0;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：get_temperature
 * 函 数 说 明：返回读取过的温度
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：温度值
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：使用前，请确保调用 aht21_read_data 采集过数据
******************************************************************/
float get_temperature(void)
{
    return temperature;
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：get_humidity
 * 函 数 说 明：返回读取过的湿度
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：湿度值
 * 作       者：LCKFB
 * 备       注：使用前，请确保调用 aht21_read_data 采集过数据
******************************************************************/
float get_humidity(void)
{
    return humidity;
}

在文件 bsp_aht21.h 中，编写如下代码。

/********************************************************************************
   * 测试硬件：立创·梁山派开发板GD32F470ZGT6    使用主频200Mhz    晶振25Mhz
   * 版 本 号: V1.0
   * 修改作者: LCKFB
   * 修改日期: 2023年08月04日
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#ifndef _BSP_AHT21_H_
#define _BSP_AHT21_H_

#include "gd32f4xx.h"


#define RCU_AHT21_SCL       RCU_GPIOD
#define PORT_AHT21_SCL      GPIOD
#define GPIO_AHT21_SCL      GPIO_PIN_4

#define RCU_AHT21_SDA       RCU_GPIOD
#define PORT_AHT21_SDA      GPIOD
#define GPIO_AHT21_SDA      GPIO_PIN_5


#define SDA_IN()  {gpio_mode_set(PORT_AHT21_SDA, GPIO_MODE_INPUT,  GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_AHT21_SDA);}  //SDA输入模式
#define SDA_OUT() {gpio_mode_set(PORT_AHT21_SDA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_AHT21_SDA);}  //SDA输出模式

#define SCL(BIT)  gpio_bit_write( PORT_AHT21_SCL, GPIO_AHT21_SCL, BIT?SET:RESET)
#define SDA(BIT)  gpio_bit_write( PORT_AHT21_SDA, GPIO_AHT21_SDA, BIT?SET:RESET)
#define GETSDA()  gpio_input_bit_get( PORT_AHT21_SDA, GPIO_AHT21_SDA)


void aht21_gpio_init(void);
char aht21_read_data(void);
float get_temperature(void);
float get_humidity(void);
#endif

2.51.4 移植验证

在自己工程中的 main 主函数中，编写如下。

/********************************************************************************
   * 测试硬件：立创·梁山派开发板GD32F470ZGT6    使用主频200Mhz    晶振25Mhz
   * 版 本 号: V1.0
   * 修改作者: LC
   * 修改日期: 2023年06月12日
   * 功能介绍: 增加AHT21驱动、增加1us延时、增加串口0调试、增加GD32串口标准库
   ******************************************************************************
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 *********************************************************************************/

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_aht21.h"
#include "stdio.h"


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：main
 * 函 数 说 明：主函数
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者： LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
int main(void)
{
    float Float_Num=0;

    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);

    //滴答定时器初始化 1us
    systick_config();

    //串口0初始化（调试）
    usart_gpio_config( 115200U );

     //AHT21初始化
    aht21_gpio_init();

    delay_1ms(1000);
    while(1)
    {
        printf("%d\r\n",aht21_read_data());
        delay_1ms(1000);
    }
}

移植现象：串口输出采集到的温湿度。

移植成功示例，见文件 2.51.4-1 。

文件 2.51.4-1 移植成功示例