51单片机基础-I²C通信与EEPROM读写

第十五章 I²C通信与EEPROM读写

1. 导入

在前面章节中，我们学习了UART和RS485等串行通信方式，主要用于设备间数据传输。本章将介绍另一种重要的同步串行通信协议 ------I²C （Inter-Integrated Circuit），并以AT24C02 EEPROM 为例，实现数据的非易失性存储与读取。

I²C由Philips（现NXP）开发，仅需两根线（SDA数据线、SCL时钟线）即可实现多主多从通信，广泛应用于传感器、实时时钟（RTC）、存储芯片等外设连接。

本章目标：

• 理解I²C总线的工作原理与信号时序；
• 掌握软件模拟I²C时序的方法（51单片机无硬件I²C）；
• 实现对AT24C02 EEPROM的字节写入与读取；
• 学习地址寻址与页写入机制；
• 为后续连接OLED、RTC、传感器等I²C设备打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 I²C总线结构

• SDA：串行数据线，双向，开漏输出；
• SCL：串行时钟线，由主机驱动；
• 所有设备并联在SDA和SCL上；
• 必须外接上拉电阻（通常4.7kΩ）到VCC。

2.2 AT24C02 EEPROM简介

• 容量：256字节（2K bit）；
• 页大小：8字节（页写入限制）；
• 通信协议：I²C；
• 设备地址：1010 + A2 + A1 + A0 + R/W，其中A2/A1/A0由硬件引脚决定；
• 典型地址：若A2=A1=A0=0，则写地址为 0xA0，读地址为 0xA1。

注意：AT24C02地址高4位固定为1010，低3位由硬件决定，最后1位为读写位。

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2.3 电路连接

单片机	AT24C02	说明
P2.0	SDA	数据线（双向）
P2.1	SCL	时钟线
VCC	VCC	+5V
GND	GND	公共地
A0, A1, A2	GND	设置硬件地址为0
WP	GND	写保护关闭（允许写入）

P2.0（SDA）和P2.1（SCL）需接4.7kΩ上拉电阻至VCC。

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3. 软件设计

3.1 I²C基本信号时序

1. 起始信号（Start）

• SCL高电平时，SDA由高→低

2. 停止信号（Stop）

• SCL高电平时，SDA由低→高

3. 应答信号（ACK）

• 每传输1字节后，接收方在第9个时钟周期拉低SDA表示应答

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3.2 模拟I²C基本函数

#include <reg52.h>

sbit SDA = P2^0;
sbit SCL = P2^1;

void delay_us() {
    _nop_(); _nop_();
}

// 起始信号
void i2c_start() {
    SDA = 1; SCL = 1;
    delay_us();
    SDA = 0;
    delay_us();
    SCL = 0;
}

// 停止信号
void i2c_stop() {
    SDA = 0; SCL = 1;
    delay_us();
    SDA = 1;
    delay_us();
}

// 发送一个字节
void i2c_send_byte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        SCL = 0;
        SDA = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        dat <<= 1;
        delay_us();
        SCL = 1;
        delay_us();
    }
    SCL = 0;
}

// 接收一个字节（主机接收）
unsigned char i2c_read_byte() {
    unsigned char i, dat = 0;
    SDA = 1;  // 释放SDA，准备接收
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        dat <<= 1;
        SCL = 1;
        delay_us();
        if (SDA) dat |= 0x01;
        SCL = 0;
        delay_us();
    }
    return dat;
}

// 发送应答（ACK=0，NACK=1）
void i2c_send_ack(unsigned char ack) {
    SCL = 0;
    SDA = ack;
    delay_us();
    SCL = 1;
    delay_us();
    SCL = 0;
}

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3.3 AT24C02写操作（字节写入）

// 向指定地址写入一个字节
void eeprom_write_byte(unsigned char addr, unsigned char dat) {
    i2c_start();
    i2c_send_byte(0xA0);      // 设备写地址
    i2c_send_ack(0);
    i2c_send_byte(addr);      // 写地址
    i2c_send_ack(0);
    i2c_send_byte(dat);       // 写数据
    i2c_send_ack(0);
    i2c_stop();

    delay_us();               // 写入周期（约10ms）
    delay_ms(10);
}

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3.4 AT24C02读操作（当前地址读 / 随机读）

// 从指定地址读取一个字节
unsigned char eeprom_read_byte(unsigned char addr) {
    unsigned char dat;

    // 第一步：发送设备地址和读地址
    i2c_start();
    i2c_send_byte(0xA0);
    i2c_send_ack(0);
    i2c_send_byte(addr);
    i2c_send_ack(0);
    i2c_stop();

    delay_ms(1);

    // 第二步：读取数据
    i2c_start();
    i2c_send_byte(0xA1);      // 设备读地址
    i2c_send_ack(0);
    dat = i2c_read_byte();
    i2c_send_ack(1);          // 主机发送NACK，结束读取
    i2c_stop();

    return dat;
}

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3.5 主程序示例：写入并读回数据

void main() {
    unsigned char data;

    // 写入数据
    eeprom_write_byte(0x00, 0x55);
    eeprom_write_byte(0x01, 0xAA);

    // 读取数据
    data = eeprom_read_byte(0x00);
    // 可通过串口发送data验证
    data = eeprom_read_byte(0x01);

    while(1);
}

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3.6 页写入（批量写入，不超过8字节）

void eeprom_page_write(unsigned char addr, unsigned char *data, unsigned char len) {
    unsigned char i;
    i2c_start();
    i2c_send_byte(0xA0);
    i2c_send_ack(0);
    i2c_send_byte(addr);
    i2c_send_ack(0);
    for (i = 0; i < len; i++) {
        i2c_send_byte(data[i]);
        i2c_send_ack(0);
    }
    i2c_stop();
    delay_ms(10);
}

注意：AT24C02每页8字节，跨页写入会回卷。

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3.7 连续读取（顺序读）

void eeprom_read_page(unsigned char addr, unsigned char *buf, unsigned char len) {
    unsigned char i;
    i2c_start();
    i2c_send_byte(0xA0);
    i2c_send_ack(0);
    i2c_send_byte(addr);
    i2c_send_ack(0);
    i2c_start();  // 重复起始
    i2c_send_byte(0xA1);
    i2c_send_ack(0);
    for (i = 0; i < len; i++) {
        buf[i] = i2c_read_byte();
        if (i < len - 1)
            i2c_send_ack(0);  // 中间字节发ACK
        else
            i2c_send_ack(1);  // 最后字节发NACK
    }
    i2c_stop();
}

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3.8 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确保SDA、SCL接4.7kΩ上拉电阻；
• 编译生成HEX；
• 下载至单片机；
• 通过串口或LED验证读写结果。

若通信失败：

• 检查上拉电阻；
• 确认A0~A2接地；
• 使用逻辑分析仪抓取I²C信号。

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##4. 小结

本章通过实现I²C通信与EEPROM读写，掌握了同步串行总线与非易失存储技术，主要内容包括：

• 硬件连接：学会使用上拉电阻构建I²C总线；
• 软件模拟：掌握起始、停止、应答等时序控制；
• EEPROM操作：实现字节写入、随机读、页写、连续读；
• 数据持久化：断电后数据不丢失，可用于保存配置；
• 扩展能力：为连接OLED、DS1307、MPU6050等I²C设备奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
无应答	地址错误或SDA/SCL未上拉	检查设备地址和上拉电阻
写入失败	未等待写入周期完成	每次写后延时10ms
读取为0xFF	未先写地址	随机读需先发送地址
信号异常	引脚驱动能力弱	使用强上拉或驱动芯片

4.2 下一步学习建议

• 学习使用I²C驱动 OLED显示屏；
• 连接 DS1307实时时钟 实现时间存储；
• 构建 多I²C设备系统；
• 实现 配置记忆功能（如保存亮度、时间等）。

本章标志着你已掌握同步串行通信与数据存储能力，具备了开发复杂嵌入式系统的关键技能。

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