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I2C实践开发 — STM32-I2C-HDC1080温湿度采集系统

1. 引言

本项目旨在通过STM32F1系列微控制器实现对HDC1080温湿度传感器的控制与数据采集。HDC1080是一种高精度、低功耗的温湿度传感器，支持I2C接口通信。通过本系统，用户能够实时读取环境的温湿度数据，适用于多种场景，如工业自动化、智能家居等。

2. 系统架构

2.1 硬件架构

• 主控芯片 ：STM32F1系列微控制器（如STM32F103C8T6）
• 传感器模块 ：HDC1080温湿度传感器
• 通信接口 ：I2C总线（主设备）

2.2 软件架构

• I2C驱动层 ：负责I2C总线的初始化和数据传输。
• 传感器驱动层 ：实现对HDC1080传感器的控制与数据读取。
• 上层应用 ：根据需求调用传感器驱动层接口，获取温湿度数据并处理。

3. 代码分析

3.1 I2C驱动文件 (i2c.h 和 i2c.c)

目标 ：配置STM32F1系列微控制器的I2C外设，实现I2C通信功能。
主要功能 ：

• IIC_Init函数 ：
  • 使能I2C1和相关GPIO外设时钟。
  • 配置GPIOB的Pin6（SCL）和Pin7（SDA）为开漏输出模式。
  • 初始化I2C1外设，配置时钟频率为100kHz，采用7位地址模式。
• I2C1_ReadData函数 ：
  • 生成I2C启动信号，开始通信。
  • 发送器件地址和寄存器地址。
  • 读取指定长度的数据并存储到缓冲区中。
  • 在通信结束时发送停止信号。

特点 ：

• 严格按照I2C协议流程进行数据传输。
• 加入适当延时，确保数据传输可靠性。

3.2 HDC1080传感器驱动文件 (hdc1080.h 和 hdc1080.c)

目标 ：通过I2C接口读取HDC1080传感器的温湿度数据。
主要功能 ：

• HDC1080_ReadTemperature函数 ：
  • 初始化I2C总线。
  • 读取温度数据寄存器（地址：0x00）。
  • 将读取到的16位数据转换为摄氏度。
• HDC1080_ReadHumidity函数 ：
  • 初始化I2C总线。
  • 读取湿度数据寄存器（地址：0x01）。
  • 将读取到的16位数据转换为百分比表示的湿度值。
• HDC1080_ReadDeviceID函数 ：
  • 初始化I2C总线。
  • 读取制造商ID（地址：0xFE）和设备ID（地址：0xFF）。
  特点 ：
  • 严格按照HDC1080数据手册进行数据格式转换。
  • 提供温度和湿度的精确测量。

4. 功能总结

本系统通过I2C协议实现了对HDC1080温湿度传感器的控制与数据采集，具备以下功能：

1. 初始化I2C总线，配置STM32F1系列微控制器。
2. 读取传感器的温度和湿度数据，并进行必要的计算，转换为实际的物理量。
   读取传感器的制造商ID和设备ID，用于设备验证。

【HDC1080传感器寄存器地址概览】

5、源码分享

i2c.h

//i2c.h#ifndef __IIC_H
#define __IIC_H
#include "sys.h"// IO方向设置
#define SDA_IN()  {GPIOB->CRH &= 0XFFFF0FFF; GPIOB->CRH |= 8 << 12;}   // PB7 输入
#define SDA_OUT() {GPIOB->CRH &= 0XFFFF0FFF; GPIOB->CRH |= 3 << 12;}   // PB7 输出// IO操作定义
#define IIC_SCL    PBout(6)   // SCL
#define IIC_SDA    PBout(7)   // SDA
#define READ_SDA   PBin(7)    // 读取 SDA/* IIC 初始化函数 */
void    IIC_Init(void);  /* IIC 读取器件内部数据函数 */
uint8_t I2C1_ReadData(uint8_t DeviceAddr, uint8_t RegAddr, uint8_t *pBuffer, uint16_t length);#endif

i2c.c

// i2c.c#include "i2c.h"
#include "../delay/delay.h"
#include "stm32f10x_i2c.h"/********************************************************************************** @ 函数名  ：IIC_Init* @ 功能说明：IIC初始化函数* @ 参数    ：无         * @ 返回值  ：无********************************************************************************/
void IIC_Init(void) {/* 定义结构体变量 */GPIO_InitTypeDef GPIO_Initstructure;I2C_InitTypeDef I2C_Initstructure;/* 使能 I2C1 外设时钟 */RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);                        // 开启 I2C1 外设时钟/* 使能 GPIOB 和 GPIOA 外设时钟 */                                            RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);                       // 开启 GPIOB 外设时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);                       // 开启 GPIOA 外设时钟/* GPIO 配置（用于 I2C 的 SCL 和 SDA 引脚）*/GPIO_Initstructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;                      // 设置 Pin6 和 Pin7，Pin6 为 SCL，Pin7 为 SDAGPIO_Initstructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;                             // 配置为开漏模式（I2C 外设需要）GPIO_Initstructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                           // 设置引脚速度为 50MHzGPIO_Init(GPIOB, &GPIO_Initstructure);                                      // 初始化 GPIOB 引脚/* I2C 配置 */I2C_Initstructure.I2C_ClockSpeed = 100000;                                  // 设置 I2C 时钟频率为 100kHzI2C_Initstructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;                                  // 设置 I2C 工作模式为 I2C 模式I2C_Initstructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;                          // 设置 Tlow/Thigh 的比例为 2I2C_Initstructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;                                   // 设置 I2C 主设备地址（此处为默认值 0x00）I2C_Initstructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;                                 // 使能 ACK 响应I2C_Initstructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;   // 设置 7 位地址模式// I2C_DeInit(I2C1);                                                        // 可选：先进行 I2C 外设复位I2C_Init(I2C1, &I2C_Initstructure);                                         // 初始化 I2C 外设I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);                                                      // 启用 I2C 外设
}/********************************************************************************** @ 函数名  ：I2C1_ReadData* @ 功能说明：使用IIC读取器件寄存器地址中的数据（本工程中读取HDC中的数据）* @ 参数    ：*			        DeviceAddr：设备器件的地址*			        RegAddr   ：要读取的数据所在寄存器地址*             pBuffer   ：缓冲区*             length    ：长度* @ 返回值  ：无********************************************************************************/
uint8_t I2C1_ReadData(uint8_t DeviceAddr, uint8_t RegAddr, uint8_t *pBuffer, uint16_t length) {uint16_t i;uint8_t Address;I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);                                            // 生成启动信号，开始 I2C 通信/* 等待直到 I2C 外设准备好 */while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));                /* 配置 7 位设备地址，并选择接收方向 */Address = DeviceAddr << 1;                                                  // 设备地址左移 1 位，准备设置为 7 位地址Address |= 0x00;                                                            // 选择发送方向（0表示写，1表示读）/* 发送设备地址（发送器模式）*/I2C_Send7bitAddress(I2C1, Address, I2C_Direction_Transmitter);              delay_ms(10);                                                                // 延时确保数据传输/* 等待 I2C 进入传输模式 */while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));  /* 发送寄存器地址 */I2C_SendData(I2C1, RegAddr);                                                delay_ms(10);                                                                // 延时确保数据传输/* 等待寄存器地址发送完成 */while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));/* 重新生成启动信号，准备读取数据 */I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);delay_ms(100);                                                                // 延时确保启动信号有效/* 等待 I2C 外设进入接收模式 */while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));/* 发送设备地址并选择接收方向 */Address = (DeviceAddr << 1) | 0x01;                                         // 设备地址右移 1 位，并选择接收模式I2C_Send7bitAddress(I2C1, Address, I2C_Direction_Receiver);delay_ms(10);                                                                // 延时确保数据传输/* 等待 I2C 进入接收模式 */while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));/* 读取数据 */for (i = 0; i < length; i++) {while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));          // 等待字节接收pBuffer[i] = I2C_ReceiveData(I2C1);                                     // 读取接收到的数据delay_ms(1);                                                            // 延时确保数据读取}/* 关闭 ACK 响应，结束数据接收 */I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);                                             // 生成停止信号，结束传输return 0;                                                                   // 返回 0 表示成功
}

hdc1080.h

// hdc1080.h#ifndef __HDC1080_H
#define __HDC1080_H
#include "sys.h"
#include "i2c.h"/* HDC1080 传感器的 I2C 地址和寄存器地址定义 */
#define HDC1080_I2C_ADDR       0x40     // HDC1080 传感器的 I2C 地址（7 位地址），值为 0x40。这个地址是 7 位的，最右边的位（1）用于选择读取（读）或写操作（写）。#define Temperature            0x00     // 温度寄存器地址，0x00 是 HDC1080 用于存储温度数据的寄存器地址。#define Humidity               0x01     // 湿度寄存器地址，0x01 是 HDC1080 用于存储湿度数据的寄存器地址。#define Manufacturer_ID        0xFE     // 制造商 ID 寄存器地址，0xFE 是用于读取 HDC1080 制造商 ID 的寄存器地址，返回值通常是 0x5449。#define Device_ID              0xFF     // 设备 ID 寄存器地址，0xFF 是用于读取 HDC1080 设备 ID 的寄存器地址，返回值通常是 0x1050。/* 配置值和状态定义 */
#define Manufacturer_ID_value  0x5449   // HDC1080 的制造商 ID 值，值为 0x5449，通常表示该传感器的制造商标识。#define Device_ID_value        0x1050   // HDC1080 的设备 ID 值，值为 0x1050，表示该设备的唯一标识符。#define Config_heateroff       0x1000   // 配置寄存器设置为关闭加热器，值为 0x1000，表示关闭加热器。// 当加热器关闭时，传感器工作在低功耗模式下，适用于温度和湿度的常规测量。#define Config_heateron        0x3000   // 配置寄存器设置为打开加热器，值为 0x3000，表示打开加热器。// 打开加热器时，传感器的温度和湿度测量范围会增大，但会增加功耗。/* 读取HDC1080器件中的温度 */	
float HDC1080_ReadTemperature(void);/* 读取HDC1080器件中的湿度 */	
uint16_t HDC1080_ReadHumidity(void);/* 读取HDC1080器件中的ID */	
void HDC1080_ReadDeviceID(uint8_t *pDeviceID);																				#endif

hdc1080.c

// hdc1080.c#include "hdc1080.h"
#include "../../SYSTEM/I2C/i2c.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "math.h"/********************************************************************************** @ 函数名  ：HDC1080_ReadTemperature* @ 功能说明：读取HDC1080器件中的温度* @ 参数    ：无         * @ 返回值  ：无********************************************************************************/
float HDC1080_ReadTemperature(void) {IIC_Init();                                                         // 防止IIC状态不对，先初始化下IIC状态delay_ms(50);uint8_t tempData[2];                                                // 存储从传感器读取的温度数据，2字节uint16_t temperature = 0;                                           // 读取到的原始温度数据float finalTemperature = 0;                                         // 转换后的最终温度值/* 通过 I2C 读取温度数据（HDC1080_I2C_ADDR 为设备地址，Temperature 为温度寄存器地址）*/I2C1_ReadData(HDC1080_I2C_ADDR, Temperature, tempData, 2);temperature = (tempData[0] << 8) | tempData[1];                     // 合并读取的两个字节为一个 16 位的温度值finalTemperature = (temperature / 65536.0f) * 165.0f - 40.0f;       // 根据 HDC1080 的数据手册，将原始值转换为实际的温度（单位：摄氏度）// 温度公式： (temperature / 65536) * 165 - 40finalTemperature = ((int)(finalTemperature * 100000)) / 100000.0f;  // 保证温度结果精度到小数点后五位return finalTemperature;                                            // 返回最终的温度值
}/********************************************************************************** @ 函数名  ：HDC1080_ReadHumidity* @ 功能说明：读取HDC1080器件中的湿度* @ 参数    ：无         * @ 返回值  ：无********************************************************************************/
uint16_t HDC1080_ReadHumidity(void) {IIC_Init();                                                 // 防止IIC状态不对，先初始化下IIC状态delay_ms(50); uint8_t humiData[2];                                        // 存储从传感器读取的湿度数据，2字节uint16_t humidity;                                          // 转换后的湿度值/* 通过 I2C 读取湿度数据（HDC1080_I2C_ADDR 为设备地址，Humidity 为湿度寄存器地址）*/I2C1_ReadData(HDC1080_I2C_ADDR, Humidity, humiData, 2);  humidity = (humiData[0] << 8) | humiData[1];                // 合并读取的两个字节为一个 16 位的湿度值                                                                                                                          humidity = (humidity * 100 / 65536);                        // 根据 HDC1080 的数据手册，将原始值转换为实际的湿度值（百分比） return humidity;                                            // 返回最终的湿度值
}/********************************************************************************** @ 函数名  ：HDC1080_ReadDeviceID* @ 功能说明：读取HDC1080器件中的ID* @ 参数    ：无         * @ 返回值  ：无********************************************************************************/
void HDC1080_ReadDeviceID(uint8_t *pDeviceID) {IIC_Init();                                                  // 防止IIC状态不对，先初始化下IIC状态delay_ms(50);/* 通过 I2C 读取 HDC1080 设备的 ID（寄存器地址为 0xFE）*/I2C1_ReadData(HDC1080_I2C_ADDR, 0xFE, pDeviceID, 2);        
}