STM32:AHT20温湿度传感器驱动程序开发

superSmart_Dong2023-11-03 13:52

注：温湿度传感器AHT20数据手册.pdf

http://www.aosong.com/userfiles/files/AHT20%E4%BA%A7%E5%93%81%E8%A7%84%E6%A0%BC%E4%B9%A6(%E4%B8%AD%E6%96%87%E7%89%88)%20B1.pdf

一、分析AHT数据手册文档

(1).准备工作

1.新建工程。配置UART2

2.配置I2C1为I2C标准模式，并开启中断和DMA设置

3.设置工程参数为每个外设初始化生成头文件和源文件，而后生成代码。

(2).根据数据手册，编写AHT20驱动

数据手册中的传感器读取流程如下:

1.上电后要等待40ms，读取温湿度值之前， 首先要看状态字的校准使能位Bit[3]是否为 1(通
过发送0x71可以获取一个字节的状态字)，如果不为1，要发送0xBE命令(初始化)，此命令参数 有两个字节， 第一个字节为0x08，第二个字节为0x00。
2.直接发送 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.等待75ms待测量完成，忙状态Bit[7]为0，然后可以读取六个字节(发0X71即可以读取)。
4.计算温湿度值
1.第一条的意思是，开机后，要等待40ms才能够与AHT20通信。因此在AHT20建立通信前要等待40ms。而后0x71地址实际上AHT20作为IIC从机的地址。按照AHT20手册，在启动传输后，随后传输的 II C首字节包括 7位的 I I C设备地址0x38。因为IIC通信一般使用7为地址码，但是读写数据都是一个字节一个字节的读写。0x38的七位二进制为0111000。规定从机地址要左一位。多出来的第八位就是读写位。IIC协议规定，如果主机发起通信的目的是为了写从机，那么读写位是0,此时AHT20的地址是01110000，即0x70.如果主机发起通信的目的是为了读从机传入的数据，那么读写位就是1。此时AHT20的地址是0x71。对于第8位的读写设置，HAL库已经帮我们封装好了，所以不用特意去操作。用户只当作AHT20的地址是0x70就行。

2.直接发送信息，略
3.等待75ms后，读取6个字节数据，里面包含了状态信息，湿度信息，和温度信息。其中第0个字节是状态位，需获取bit[7]判断设备是否空闲。而后，湿度数据由20个bit位组成：第1个字节是湿度的高8位，第2个字节是湿度的次高8位.第3个字节的高4个bit位是湿度的低4位。温度数据也由20个bit位组成。第3个字节的低4个bit位是温度的高4位，第4个字节是温度的次高8位，第5个字节是温度的低8位。

4.解析完温度、湿度数据后，进行计算

(3),关键代码

aht.h声明函数, aht.c函数定义如下

cpp 复制代码 
#include "aht20.h"
#define AHT20_ADDRESS 0x70
//AHT20初始化
void AHT20_Init(){
	uint8_t readBuffer;
	//1.工作前延迟40ms
	HAL_Delay(40);
	//2.从AHT20收取一个字节，判断第Bit[3]是否为1
	HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, &readBuffer, 1, HAL_MAX_DELAY);
	//加上状态位后实际上要判断Bit[4]
	if( (readBuffer & 0x08)== 0x00){
		//如果不为1，要发送0xBE命令(初始化)
		//发送0xBE命令(初始化)，此命令参数有两个字节， 第一个字节为0x08，第二个字节为0x00。
		uint8_t sendBuffer[3] ={0xBE,0x08,0x00};
		HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3, HAL_MAX_DELAY);
	}
}

void AHT20_Read(float *O_Temperature,float* O_Humidity){
	//输入触发命令和参数
	uint8_t sendBuffer[3] ={0xAC,0x33,0x00};
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3, HAL_MAX_DELAY);
	//等待75ms测量完成
	HAL_Delay(75);
	//读6个字节
	uint8_t readBuffer[6];
	HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, readBuffer, 6, HAL_MAX_DELAY);
	//其中第0个字节是状态位，需获取bit[7]判断设备是否空闲。为0则不再工作
	if((readBuffer[0] & 0x80 )==0x00){
		uint32_t tempdata = 0;
		//湿度数据由20个bit位组成：第1个字节是湿度的高8位，第2个字节是湿度的次高8位.第3个字节的高4个bit位是湿度的低4位。
		tempdata =((uint32_t)readBuffer[1] << 12 ) + ((uint32_t)readBuffer[2] <<4 ) +((uint32_t)readBuffer[3] >>4 );
		//相对湿度计算
		*O_Humidity = tempdata *1.0f /(1<<20);

		//温度数据也由20个bit位组成。第3个字节的低4个bit位是温度的高4位，第4个字节是温度的次高8位，第5个字节是温度的低8位。
		tempdata = (((uint32_t)readBuffer[3] & 0x0F ) <<16 ) +((uint32_t)readBuffer[4] <<8 ) + (uint32_t)readBuffer[5];
		//转化成摄氏度
		*O_Temperature= tempdata*200.0f /(1<<20)-50;
	}


}

main.c 关键函数如下：

cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "aht20.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();


  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  AHT20_Init();
  char message[50];
  float temperature, humidity;
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	 AHT20_Read(&temperature, &humidity);
	 sprintf(message,"温度:%.1f °C，湿度: %.1f %% \r\n",temperature,humidity*100);
	 HAL_UART_Transmit(&huart2, message, 50, HAL_MAX_DELAY);
	 HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

注：起初 sprintf(message,"温度:%.1f °C，湿度: %.1f %% \r\n",temperature,humidity*100);会报不支持浮点数输出的错误。
菜单栏Project ->properties解决

二、基于状态机编程实现AHT20的中断程序

上面一节实现的是AHT20的轮询模式。发送HAL_I2C_Master_Transmit ，接收HAL_I2C_Master_Receive都会阻塞主程序，待完全执行完发送/接收内容时程序才会执行下一步操作。而在中断或DMA模式下，发送和接收消息不会阻塞主程序，那么就有可能发生还没接收完数据就对温度、湿度变量进行计算，造成脏读。

HAL_I2C_Master_Transmit_IT() // 采用中断模式发送
HAL_I2C_Master_Transmit_DMA() //采用DMA模式发送
HAL_I2C_Master_Receive_IT() // 采用中断模式接收

HAL_I2C_Master_Receive_DMA() // 采用DMA模式接收

void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c); //主机发送完成回调函数

void HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c); //主机接收完成回调函数
所谓状态机编程实际上类似与设计模式中的状态模式类型，把AHT20的通信流程拆分开来。每个状态标识分别对应着自己的处理逻辑，并且指明下一个的状态。

改造上述代码。
1).保持AHT20初始化不变
2).拆分温度、湿度发送/接收/计算模块

  • 在状态为0时，发送测温湿度的命令，并将状态值为1。此时要等待DMA或者中断函数处理完成
  • 触发 IIC发送完成回调函数，则表示发送命令完成，将状态置为2
  • 当状态为2时,等待75 ms,让AHT20测温湿度结束。而后发送接收AHT20测温湿度数据的命令，并将状态置为3.
  • 触发 IIC接收完成回调函数，则表示数据接收完成，测试接收到的6字节数据就是温湿度数据。并将状态置为4
  • 当状态为4时，解析接收到的6字节数据，并打印
    这样就完成了中断/DMA的测量温湿度数据的案例

三、中断程序主要代码

aht.h声明函数, aht.c函数定义如下

cpp 复制代码 
#include <aht20.h>

//AHT20设备地址
static uint8_t AHT20_ADDRESS=0x70;
//发送0xBE命令(初始化)，此命令参数有两个字节， 第一个字节为0x08，第二个字节为0x00。
static uint8_t AHT20InitCmd[3]={0xBE,0x08,0x00} ;
//输入测量触发命令和参数
static uint8_t AHT20MeasureCmd[3]={0xAC,0x33,0x00};
static uint8_t AHT20readBuffer[6];

//AHT20初始化
void AHT20_Init(){
	uint8_t readOneByte;
	//1.工作前延迟40ms
	HAL_Delay(40);
	//2.从AHT20收取一个字节，判断第Bit[3]是否为1
	HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, &readOneByte, 1, HAL_MAX_DELAY);
	//加上状态位后实际上要判断Bit[4]
	if( (readOneByte & 0x08)== 0x00){
		//如果不为1，要发送0xBE命令(初始化)
		//发送0xBE命令(初始化)，此命令参数有两个字节， 第一个字节为0x08，第二个字节为0x00。
		HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, AHT20InitCmd, 3, HAL_MAX_DELAY);
	}
}

//发送测量指令
void AHT20_Transmit(){
	HAL_I2C_Master_Transmit_IT(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, AHT20MeasureCmd, 3);
}
//接收测量数据到AHT20readBuffer
void AHT20_Receive(){
	HAL_I2C_Master_Receive_IT(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, AHT20readBuffer, 6);
}
//解析AHT20readBuffer输出O_Temperature和O_Humidity
void AHT20_Analysis(float *O_Temperature,float* O_Humidity){
	//其中第0个字节是状态位，需获取bit[7]判断设备是否空闲。为0则不再工作
	if((AHT20readBuffer[0] & 0x80 )==0x00){
		uint32_t tempdata = 0;
		//湿度数据由20个bit位组成：第1个字节是湿度的高8位，第2个字节是湿度的次高8位.第3个字节的高4个bit位是湿度的低4位。
		tempdata =((uint32_t)AHT20readBuffer[1] << 12 ) + ((uint32_t)AHT20readBuffer[2] <<4 ) +((uint32_t)AHT20readBuffer[3] >>4 );
		//相对湿度计算
		*O_Humidity = tempdata *1.0f /(1<<20);

		//温度数据也由20个bit位组成。第3个字节的低4个bit位是温度的高4位，第4个字节是温度的次高8位，第5个字节是温度的低8位。
		tempdata = (((uint32_t)AHT20readBuffer[3] & 0x0F ) <<16 ) +((uint32_t)AHT20readBuffer[4] <<8 ) + (uint32_t)AHT20readBuffer[5];
		//转化成摄氏度
		*O_Temperature= tempdata*200.0f /(1<<20)-50;
	}
}

main.c关键代码

cpp 复制代码 
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
//状态：0 初始状态，1正在发送测量指令 2测量指令发送完成  3 IIC读取ANT20数据中 4 读取完成
uint8_t  aht20State =0;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c){
	if(hi2c == &hi2c1){
		aht20State =2;
	}
}
void HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c){
	if(hi2c == &hi2c1){
		aht20State =4;
	}
}
/* USER CODE END 0 */



int main(void)
{

  HAL_Init();

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  AHT20_Init();
  char message[50];
  float temperature, humidity;
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	 if(aht20State == 0){
		 //初始状态
		 //测量数据
		 AHT20_Transmit();
		 aht20State=1;
	 }else if(aht20State == 2){
		HAL_Delay(75);
		//读取数据
		AHT20_Receive();
		aht20State=3;
	 }else if(aht20State == 4){
		//AHT20_
		 AHT20_Analysis(&temperature, &humidity);
		 sprintf(message,"温度:%.1f °C，湿度: %.1f %% ",temperature,humidity*100);
		 HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)message, strlen(message), HAL_MAX_DELAY);
		 HAL_Delay(1000);
		 aht20State= 0;
	 }
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

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