零基础STM32入门教程--12-I2C 串行通迅

oshan20122026-08-30 13:46

专栏：STM32F103入门教程

环境：Keil‑MDK + STM32F103 标准库3.5版本

一、I2C

I2C 全称 Inter‑Integrated Circuit，集成电路总线，由 NXP（原飞利浦）在 1980 年代开发，只需要 SDA（数据线） 和 SCL（时钟线） 两根信号线即可完成通信。广泛用于单片机连接各类低速外设传感器、EEPROM、OLED、MPU6050、RTC 时钟芯片等。

I2C 的主要特点

两线制 ：只有 SDA 和 SCL，节省引脚和 PCB 布线空间。

同步通信 ：数据传输由主设备产生的 SCL 时钟同步，属于同步串行通信。

半双工 ：SDA 一根线承担收发，某一时刻只能单向传输。

主从式通信 ：每个通信周期由主设备发起，从设备被动响应；支持一主多从、多主机系统。

地址寻址：每个从设备有唯一地址，主设备通过发送从设备地址来选择通信对象；标准地址为 7 位，扩展地址为 10 位。

速率等级

标准模式 ：100 kbit/s，兼容性最好，调试优先用这个。

快速模式 ：400 kbit/s

I2C 不适合长距离走线，主要用于板内芯片之间通信。

核心通信机制

主从模式

主机 (Master) ：一般是单片机，产生 SCL 时钟、发起通信。

从机 (Slave) ：传感器、EEPROM 等外设，每个从机拥有唯一 7bit 设备地址；主机发送地址，选中总线上要对话的设备，其余设备忽略总线数据。

注意：代码中地址经常需要左移 1 位，最低位作为读 / 写控制位。

时序信号

起始信号 START ：SCL 为高时，SDA 由高变低，通信开始。

停止信号 STOP ：SCL 为高时，SDA 由低变高，结束通信。

应答无应答 ACK/NACK：每传输完 1 字节（8bit，高位先发），接收方在第 9 个时钟拉低 SDA = ACK 应答成功；保持高电平 = NACK，代表无应答、设备未响应。

通信流程

主机发送起始 → 发送从机地址 + 读写位 → 等待从机 ACK → 收发数据（每字节后等待 ACK） → 发送停止信号结束。

两种实现方式（单片机）

硬件 I2C ：片上外设硬件控制器，由硬件产生时序，CPU 负担小。

软件模拟 I2C：普通 GPIO 引脚，软件模拟 SCL/SDA 时序。优点：兼容性极强，不受硬件外设 bug 影响；缺点占用 CPU 时间，不适合 RTOS 高抢占场景。

二、AT24C02

AT24C02 是I2C 接口的串行 EEPROM，非常常用的掉电非易失存储器，单片机项目用来保存参数、配置、掉电需要保存的数据（阈值、计数、设备地址等）。

02 代表容量：2Kbit = 256 字节，地址范围：0‑255。

1、基础参数

容量：2Kbit，256 Bytes

接口：标准 I2C，支持 100kHz /400kHz

供电：1.8V‑5.5V，3.3V、5V 单片机都可以直接用

写入寿命：10 万次擦写；数据保存时间＞100 年

器件 I2C 从机地址：0b1010 A2 A1 A0

A2/A1/A0 是芯片硬件引脚，用来修改设备地址，一条 I2C 总线最多挂载 8 片 AT24C02。

引脚全部悬空 / 接 GND 时，7 位地址：0x50。

⚠️代码注意：I2C 发送时地址需要左移一位，所以写地址是0xA0，读地址0xA1。

2、引脚定义

A0、A1、A2：地址引脚，接 GND/VCC，修改芯片 I2C 设备地址。

SCL：I2C 时钟

SDA：I2C 数据

WP：写保护引脚

WP 接 GND：可以正常读写；

WP 接 VCC：写保护开启，只能读，不能写入，防止误擦除数据。

VCC：电源

GND：地

SDA、SCL 必须外接 上拉电阻；STM32F103 硬件 I2C 必须外部上拉。

3、读写逻辑

***字节写（单字节写入) ***

I2C 起始 → 发送器件写地址 (0xA0) → 发送芯片内部存储地址 (0~255) → 发送要写入的数据 → STOP 停止。

⚠️写完之后必须等待写入周期！ AT24C02 内部烧录需要时间，典型 5ms。

写完立刻读，会读取失败。可以延时 5ms，或者轮询 I2C ACK 等待芯片内部烧写完成。

随机读（指定地址读）

I2C 起始，发送器件写地址 0xA0，发送要读取的内部地址；

重新发起起始，发送器件读地址 0xA1；

读取 1 字节数据，主机发送 NACK；

STOP 结束。

4、工程高频坑点（STM32F103 调试必看）

写完忘记等待 5ms 写周期，写完马上读，读出来乱码。

I2C 地址忘记左移，一直 NACK 无应答。AT24C02 7bit 地址 0x50，I2C 发送写地址要 0xA0。

WP 引脚接 VCC，开启写保护，写不进去，读正常。

STM32F103 硬件 I2C 本身存在卡死，也可以通过检查超时，复位I2C总线等方法或推荐软件模拟 I2C 驱动 AT24C02。

不要频繁循环擦写同一个地址，10 万次寿命，高频循环写会把芯片写坏。

5、典型使用场景

保存设备配置参数：阈值、波特率、设备编号；

6、同系列型号快速区分

AT24C01：128 字节

AT24C02：256 字节（最常用）

AT24C04：512 字节

AT24C08：1K

AT24C16：2K

三、接线

AT24C02 三个地址线A0,A1,A2全部接地。对应设备地址的bit1,bit2,bit3全为0。

SCL和SDA模块已经自带上拉电阻，否则要加接。

WP接到GND,数据才能写进去。

STM32F103C8T6 --PB6 <---------->AT24C02 ---SCL

STM32F103C8T6 --PB7 <---------->AT24C02 ---SDA

四、工程与程序编写

4.1工程复制

复制UART工程文件夹为I2C文件夹，UART.uvprojx复制为I2C.uvprojx。

4.2 添加驱动文件

1.Hardware文件夹下面新建I2c和At24c02两个文件夹。

2.工程添加i2c_sim.h,i2c_sim.c,at24c02.h,at24c02.c文件。

i2c_sim.h

c 复制代码 
#ifndef __I2C_SIM_H
#define __I2C_SIM_H

#include "stm32f10x.h"

// 引脚定义 PB6 SCL  PB7 SDA
#define I2C_SCL_PIN     GPIO_Pin_6
#define I2C_SDA_PIN     GPIO_Pin_7
#define I2C_GPIO_PORT   GPIOB

void i2c_sim_init(void);
void i2c_sim_start(void);
void i2c_sim_stop(void);
uint8_t i2c_sim_write_byte(uint8_t dat);
uint8_t i2c_sim_read_byte(uint8_t ack);



#endif

i2c_sim.c

c 复制代码 
#include "i2c_sim.h"
#include "delay.h"



/*
简单微延时，根据系统主频72MHz，微调延时保证I2C时序(100K)
Cortex-M3：for 循环每次迭代：
i 自增、比较跳转，一次循环大约 3~4 个 CPU 周期
循环 100 次：
周期数 ≈ 100 × 4 = 400 个 CPU 时钟周期
CPU 时钟 72MHz，1 个周期 = 1/72M ≈13.889ns
总时间 ≈ 400 ×13.889ns ≈ 5.55μs
不开编译优化(level 0)，i2c_delay() 大概 5~6μs

标准 100kHz I2C：SCL 周期 10μs，高低电平最小建立 / 保持时间典型要求：
tSU;STA（起始建立） ≥4.7μs
tHD;STA（起始保持） ≥4.0μs
tLOW SCL 低电平 ≥4.7μs
tHIGH SCL 高电平 ≥4.0μs


*/
static void i2c_delay(void)
{
    uint32_t i;
    for(i=0;i<100;i++);
}

//初始化GPIO
void i2c_sim_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   //推挽输出
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    //总线空闲 SCL=1 SDA=1
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);
}

// I2C_SDA_PIN 设置为推挽输出
void sda_out(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin =  I2C_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   //推挽输出
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);	
}

//I2C_SDA_PIN 浮空输入
void sda_in(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin =  I2C_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   //浮空输入
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);	
}


//I2C起始信号：SCL高，SDA拉低
void i2c_sim_start(void)
{
    sda_out();
	GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//SDA=1，SCL=1 （总线空闲状态）
    i2c_delay();
    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);//SDA 拉低 → 完成起始信号边沿，告诉所有从机：通信要开始了
    i2c_delay();
    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//把时钟线拉低，为主机输出第 1 位数据做准备
											  //***SCL 高的时候，SDA 不能随便变化，否则会误触发起始 / 停止***
}

//I2C停止信号：SCL高，SDA拉高
void i2c_sim_stop(void)
{
    sda_out();
	GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN); //SDA=0
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);   //SCL=1
    i2c_delay();
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);   //SDA=1 
    i2c_delay();
}

//写1字节，返回ACK(0=应答，1=NACK无应答)
uint8_t i2c_sim_write_byte(uint8_t dat)
{
    uint8_t i;
    uint8_t ack;
	sda_out();
    for(i=0;i<8;i++)//一个字节8位
    {
        GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//先拉低SCL,为后面的发送SDA的位数据作准备
        i2c_delay();
        if(dat & 0x80)//先发送高位
        {
            GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);//置高
        }
        else
        {
            GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);//置低
        }
        dat <<=1;
        i2c_delay();
        GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//SCL 拉高 SDA数据有效
        i2c_delay();
    }
    //释放SDA，读取应答：切输入！！
    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//把时钟线拉到低电平，准备进入 ACK 阶段
	sda_in();   //重点！切输入读取从机应答  SCL 高电平期间不允许随便切换 SDA 输入输出
    i2c_delay();
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);  //SCL拉高，这就是ACK的第9个时钟！
    i2c_delay();

    if(GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN))//读取从机应答
        ack = 1;    //NACK
    else
        ack = 0;    //ACK

    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//次拉低SCL，结束ACK时序
	sda_out();  //读完切回输出
    return ack;
}

/*

写 1bit：先输出 bit，再左移
读 1bit：先左移，再存入 bit
*/

//读1字节: ack=0 发送ACK继续读；ack=1发送NACK结束读取
uint8_t i2c_sim_read_byte(uint8_t ack)
{
    uint8_t i;
    uint8_t dat = 0;

    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN);
	sda_in();
	
    for(i=0;i<8;i++)//先读到的是高位
    {
        dat <<= 1;//左移1位，放在前面，读一个字节只需求移位7位,放在最后面时读bit0时就不能再移位了。
        GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);
        i2c_delay();
        GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);
        i2c_delay();
        if(GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN))
        {
            dat |= 0x01;
        }
    }
	
    //准备发送应答位
    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);
	sda_out();
    if(ack)
    {
        GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN); //NACK  不应答
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SDA_PIN); //ACK
    }
    i2c_delay();
    GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);//第9个时钟，ACK/NACK 有效
    i2c_delay();
    GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT,I2C_SCL_PIN);

    return dat;
}


at24c02.h

```c
#ifndef __AT24C02_H
#define __AT24C02_H

#include "i2c_sim.h"
#include "delay.h"

/*
器件地址字节的第 8 位（最低 bit0）是读写选择位：
- 该位 = 1：发起读操作
- 该位 = 0：发起写操作
> I2C 标准：bit0 → R/W 位。
*/

#define AT24C02_ADDR_WR 0xA0   //1010 000 0
#define AT24C02_ADDR_RD 0xA1   //1010 000 1

void at24c02_write_byte(uint8_t addr,uint8_t data);
uint8_t at24c02_read_byte(uint8_t addr);

void at24c02_test(void);

#endif

at24c02.c

c 复制代码 
#include "at24c02.h"
#include <stdio.h>

//写单个字节
void at24c02_write_byte(uint8_t addr,uint8_t data)
{
    uint8_t ack;
	i2c_sim_start();
    ack = i2c_sim_write_byte(AT24C02_ADDR_WR);
	if(ack){
		i2c_sim_stop();
		printf("at24c02_write_byte ack 0:%d ",ack);		
		return;
	}	
    ack = i2c_sim_write_byte(addr);
	if(ack){
		i2c_sim_stop();
		printf("at24c02_write_byte ack 1:%d ",ack);
		return;
	}
	
    ack = i2c_sim_write_byte(data);
	if(ack){
		i2c_sim_stop();
		printf("at24c02_write_byte ack 2:%d ",ack);
		return;
	}
    i2c_sim_stop();
    delay_ms(10);    //AT24C02内部烧录等待时间，必须！
}

//读单个字节
uint8_t at24c02_read_byte(uint8_t addr)
{
    uint8_t res;
    i2c_sim_start();					//起始信号
    i2c_sim_write_byte(AT24C02_ADDR_WR);//从机地址写数据
    i2c_sim_write_byte(addr);			//要读对应数据的地址
    i2c_sim_start();					//起始信号
    i2c_sim_write_byte(AT24C02_ADDR_RD);//从机地址读数据
    res = i2c_sim_read_byte(1); //NACK结束
    i2c_sim_stop();
    return res;
}

void at24c02_test(void)
{
	uint8_t i,data;	
	printf("写之前读 \r\n");
	for(i=0;i<10;i++){
		data = at24c02_read_byte(i);
		printf("add[%d]: %d  \r\n",i,data);
	}
	
	for(i=0;i<10;i++){
		data = i+10;
		at24c02_write_byte(i,data);
		printf("写入 add[%d]: %d  \r\n",i,data);
	}
	printf("写之后读 \r\n");
	for(i=0;i<10;i++){
		data = at24c02_read_byte(i);
		printf("add[%d]: %d  \r\n",i,data);
	}
	
	
}
AT24Cxx 型号和地址
型号 容量 页大小 地址位数 器件地址格式 (7位+R/W) A2 A1 A0 引脚作用 内存地址发送
AT24C01 128 Byte 8 Byte 8位 1010 A2 A1 A0 全部用于片选 1字节 0x00~0x7F
AT24C02 256 Byte 8 Byte 8位 1010 A2 A1 A0 全部用于片选 1字节 0x00~0xFF
AT24C04 512 Byte 16 Byte 9位 1010 A2 A1 P0 A2/A1 片选，A0=NC 1字节，P0=地址 bit8
AT24C08 1K Byte 16 Byte 10位 1010 A2 P1 P0 A2 片选，A1/A0=NC 1字节，P1/P0=地址 bit9/8
AT24C16 2K Byte 16 Byte 11位 1010 P2 P1 P0 全部 NC，内部做地址高位 1字节，P2/P1/P0=地址 bit10/9/8
AT24C02 随机读 1 字节流程
步骤 操作 发送方 说明
① START 主机 SCL 高电平时，SDA 下降沿
② 发送设备地址 0xA0 主机 0xA0 = 0b1010 0000，R/W=0（写模式）
③ ACK 从机 AT24C02 拉低 SDA 应答
④ 发送内存地址（Word Address） 主机 比如 0x20，告诉从机读哪个位置
⑤ ACK 从机 从机应答，地址已接收
⑥ Repeated START (Sr) 主机 不释放总线，直接重新开始
⑦ 发送设备地址 0xA1 主机 0xA1 = 0b1010 0001，R/W=1（读模式）⚡
⑧ ACK 从机 从机准备发送数据
⑨ 读取 1 字节数据 从机→主机 从机发送指定地址的数据，MSB 先
⑩ NACK 主机 主机不拉低SDA = 不再读了
⑪ STOP 主机 SCL 高电平时，SDA 上升沿，结束通信

AT24C02：2Kbit → 256 字节存储空间，存储地址范围 0x00 ~ 0xFF

AT24C02 器件地址：写地址0xA0，读地址0xA1（A2/A1/A0 全部接地的情况）

随机读：读取任意指定存储地址，不是顺序接着上一次读。

I2C 随机读核心关键点：

先「写寄存器地址」：发送起始 + EEPROM 写地址 + ACK + 要读的存储单元地址 + ACK

不发停止信号，发送重复起始信号 Repeated Start

发送 EEPROM 读地址，读取从机 ACK

读取 1 字节数据，读完主机输出 NACK

发送停止信号 Stop 结束通信

⚠重点：随机读不能发 Stop，再发 Start；必须用重复起始信号。如果发 Stop，EEPROM 会丢失内部地址指针。

AT24C02 随机写 1 字节流程
步骤 操作 发送方 说明
① START 主机 SCL 高电平时，SDA 下降沿
② 发送设备地址 0xA0 主机 0xA0 = 0b1010 0000，R/W = 0（写模式）
③ ACK 从机 AT24C02 拉低 SDA 应答
④ 发送内存地址（Word Address） 主机 8 位地址，如 0x20，指定写入位置
⑤ ACK 从机 地址已接收
⑥ 发送 1 字节数据 主机 要写入的数据，如 0x55，MSB 先
⑦ ACK 从机 数据已接收
⑧ STOP 主机 SCL 高电平时，SDA 上升沿，结束通信

i2c_sim_start()  I2C 起始信号 Start

i2c_sim_write_byte(0xA0) 发送 EEPROM写器件地址

判断 ACK，如果 NACK，直接 Stop 退出，通信失败

i2c_sim_write_byte(mem_addr) 发送要写入的存储地址（0‑0xFF）

判断 ACK

i2c_sim_write_byte(write_data) 发送需要写入的数据字节

判断 ACK

i2c_sim_stop() 发送停止信号 Stop，Stop 之后 EEPROM 才启动内部页烧写

⏳延时 5~10ms，等待 EEPROM 内部编程完成！这一步非常容易漏掉！

重点：

Stop 信号才触发 EEPROM 烧写，没有 Stop 不会保存数据；

Stop 之后必须等待烧写时间，期间 EEPROM 不响应 I2C，此时去读 / 写会收到 NACK；

随机写不需要重复起始信号。

main.c

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"  
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include "exti.h"
#include "time.h"
#include <stdio.h>
#include "i2c_sim.h"
#include "at24c02.h"

int main(void)
{		
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);// 设置中断优先级分组4
	led_init();
	delay_init();
	usart1_init(115200);
	i2c_sim_init();
	at24c02_test();
		
	while(1)
	{				
		
		
	}
	
}

4.3 添加文件包含路径

4. 4 程序的编译和烧录

测试结束写入和读出是相同才正确!

模拟I2C 程序错误也能读写，要读写测试判断.

资料下载

参考资料网盘 ：

链接 : https://pan.baidu.com/s/1BrH0JbUY6z7j7gAihTa4Dw

提取码: qnws

本节课完整工程例程网盘：

链接: https://pan.baidu.com/s/1rl6EIqi9m6kQ1JFjuSqINg

提取码: bumc

相关推荐
Messy create1 小时前
【继续充值】
单片机
茯苓gao1 小时前
从零开发 EtherCAT 主站（六）：SOEM 初始化流程详解，主站是如何发现所有从站的？
笔记·嵌入式硬件·学习·信息与通信
智购科技无人售货机工厂1 小时前
2026自动售货机防拆机物理安全设计：从安全螺丝到结构互锁的工程实践~YH
android·网络·驱动开发·python·单片机·安全·云原生
从零开始的嵌入式之旅2 小时前
day33
linux·c语言·经验分享·笔记·嵌入式硬件
jufeng13072 小时前
STM32F103 定时器输入捕获实战：测频测周、编码器测速、红外解码全流程拆解
stm32·输入捕获·定时器·编码器
RedJACK~2 小时前
Windows11一级右键菜单添加Alacritty教程
单片机·嵌入式硬件
智闲电子设计2 小时前
STM32 DAC 实战：用 DMA 把定时器表变成波形，自制信号发生器
stm32·单片机·嵌入式硬件
zcmodeltech2 小时前
反应装置模型控制系统设计与实现：多设备协同联动方案
java·网络·数据库·stm32·嵌入式硬件·能源·制造
深圳市恒锐丰科技杨生2 小时前
CL4054HL 36V 耐压 600mA 单节锂电池线性充电芯片｜SOT23‑5 小型便携充电方案
嵌入式硬件·硬件工程
热门推荐
01国内可直接用、免费额度/永久免费的大模型API清单（含 SiliconFlow、火山、阿里、智谱、百度、Kimi、DeepSeek、DMXAPI 等）02GitHub 镜像站点03ZCode 周末送额度活动开启：3 亿 Token 免费领取042026 国产 AI 大模型横评：DeepSeek、通义千问、Kimi、文心一言、星火、豆包谁更能打？05历年考研数学一、数学二、数学三真题试卷及答案PDF06微信历史版本含下载地址（ Windows PC | 安卓 | MAC ）及设置微信不更新07AI 编程 IDE 全景解析 2026：Agent 全面接管开发链路08Agnes AI 免费 API 接入指南：文本、生图、生视频，一套接口全免费09蜘蛛磁力 搜索引擎大全，如何使用蜘蛛磁力查找磁力链接10VSCode+CodeX扩展，无法启动