【STM32零基础嵌入式入门实操】基于keil5、STM32CubeMX HAL库的——IIC（I2C）协议采集温湿度与OLED显示

本次实践围绕STM32F103C8T6与AHT20温湿度传感器的I2C通信展开，从协议理论到实战开发形成完整闭环，成功实现了每隔1秒采集温湿度数据并通过串口输出的核心需求。在理论层面，通过分层思想清晰拆解了I2C协议的物理层与协议层：物理层的“两线制+上拉电阻”设计简化了硬件连接，协议层的起始/停止信号、寻址机制、应答逻辑则保障了数据传输的准确性；同时明确了软件I2C与硬件I2C的差异，为实际开发

R..697

2078人浏览 · 2025-10-26 17:27:08

R..697 · 2025-10-26 17:27:08 发布

前言

在嵌入式系统开发中，传感器数据采集是连接硬件与实际应用的核心环节，而I2C总线协议凭借其接口简单、占用引脚少的优势，成为短距离外设通信的主流选择，广泛应用于温湿度传感器、EEPROM、OLED显示屏等器件的互联。

本次实践以STM32F103C8T6最小系统板为核心，聚焦I2C协议的实战应用，目标是完成AHT20温湿度传感器的数据采集与串口输出。

AHT20作为一款高精度、低功耗的数字温湿度传感器，采用I2C接口进行数据交互，非常适合嵌入式场景下的环境监测需求。本次作业将围绕两大核心展开：一是深入理解“软件I2C”与“硬件I2C”的本质区别及实现逻辑，夯实协议理论基础；二是基于HAL库与STM32CubeMX，完成传感器初始化、每隔2秒采集温湿度数据，并通过串口将数据上传至Win10上位机的全流程开发。

通过本次实践，不仅能掌握I2C协议的通信时序、传感器数据解析方法，还能深化STM32外设配置与多模块（I2C+串口）协同开发的能力，为后续复杂嵌入式系统（如环境监测终端、智能家居节点）的设计积累关键经验。

以下I2C协议的解释参考了野火资料，想要进一步了解，可以跳转到链接:

野火

一、了解I2C总线协议

1. 协议简介

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

在计算机科学与嵌入式开发领域，多数复杂问题都能通过 “分层思想” 拆解简化。比如芯片设计中，会明确划分内核层与片上外设层，前者负责核心运算，后者承担外设控制，职责清晰；STM32 的标准库则更具代表性，它作为寄存器操作与用户应用代码之间的中间软件层，无需开发者直接操控寄存器，大幅降低了开发门槛。
对于通讯协议，分层思想同样是核心理解逻辑，最基础的划分便是物理层与协议层。物理层负责定义通讯系统的机械结构（如引脚布局）、电子特性（如电平标准、传输速率），核心作用是搭建 “物理通道”，保障原始数据能在导线等物理介质上稳定传输。协议层则聚焦 “逻辑规则”，统一收发双方的数据打包格式、解包规则，确保数据传递后能被正确解读。
简单类比：物理层好比约定 “用嘴巴说话” 还是 “用手势比划” 的交流方式，协议层则是约定 “说中文” 还是 “说英文” 的沟通语言，二者结合才能实现高效、准确的通讯。

2. 物理层

I2C 物理层主要定义了硬件连接方式和电气特性，核心是 “两根线实现多设备通信”：

线路组成：仅需两根双向信号线 ——SDA（数据线，传输数据）和 SCL（时钟线，同步数据传输节奏）。
连接方式：总线上所有设备（主设备和从设备）的 SDA、SCL 分别并联，支持 “一主多从” 或 “多主多从”（实际常用一主多从）。
电气特性：设备接口多为开漏输出，需通过外部上拉电阻将 SDA、SCL 拉到高电平（通常接 3.3V 或 5V），实现 “线与逻辑”（任意设备拉低总线，总线即低；所有设备释放，总线由上拉电阻拉高）。

I2C 通讯设备常用连接方式（引用野火资料中的图）
在这里插入图片描述

3. 协议层

I2C 协议层主要规定了数据传输的 “逻辑规则”，解决 “怎么传、传什么、如何确认” 的问题，核心包括以下关键机制：

通信发起与结束：主设备通过发送 “起始信号”（SCL 高电平时，SDA 从高拉低）启动通信；通过 “停止信号”（SCL 高电平时，SDA 从低拉高）结束通信。
数据有效性：
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图数据有效性。 SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
寻址机制：主设备先发送 “从设备地址”（7 位或 10 位，常用 7 位），后跟 1 位 “读写位”（0 表示写，1 表示读），指定要通信的从设备及操作方向。
数据传输格式：

在这里插入图片描述
每次传输 1 字节（8 位），字节后紧跟 1 位 “应答位（ACK）”—— 接收方需拉低 SDA 表示已收到，无应答则视为传输结束。

读写流程：写操作时，主设备连续发送数据；读操作时，从设备向主设备返回数据，主设备通过应答位控制是否继续读取。

4. 软件I2C与硬件I2C

在嵌入式开发中，“软件 I2C” 和 “硬件 I2C” 是实现 I2C 通信的两种方式，核心区别在于时序控制的实现主体

软件 I2C（bit-banging I2C）
通过通用 GPIO 引脚（任意可配置为输入输出的引脚），用软件代码模拟 I2C 协议的时序（起始信号、停止信号、数据收发、应答位等）。

实现方式：开发者手动编写代码，通过控制 GPIO 的高低电平变化，严格遵循 I2C 协议的时序要求（如 SCL 时钟线的高低电平持续时间、SDA 数据线在时钟信号下的跳变时机等）。例如：用HAL_GPIO_WritePin()函数控制 SCL 和 SDA 的电平，用HAL_Delay()或延时函数控制时序间隔。
特点：
- 灵活性高：可使用任意 GPIO 引脚，不受硬件 I2C 外设引脚限制；
- 可控性强：时序细节（如速率）可通过代码精确调整；
- 缺点：占用 CPU 资源（需持续执行软件延时和电平控制），通信速率较低（通常不超过 100kHz），且代码复杂度稍高（需严格模拟时序）。

硬件 I2C（peripheral I2C）
利用单片机内部集成的 I2C 硬件外设（如 STM32 的 I2C1、I2C2），通过配置外设寄存器（或 HAL 库函数），由硬件自动生成 I2C 协议时序。

实现方式：只需配置 I2C 外设的时钟频率、地址模式等参数（如通过 STM32CubeMX 配置 I2C 外设），然后调用库函数（如HAL_I2C_Master_Transmit()、HAL_I2C_Master_Receive()）即可完成数据收发，时序（如起始 / 停止信号、应答位）由硬件自动处理。
特点：
效率高：硬件自动生成时序，不占用 CPU 资源，可同时处理其他任务；
速率快：支持更高的通信速率（如标准模式 100kHz、快速模式 400kHz）；
缺点：引脚固定（受硬件 I2C 外设引脚限制），灵活性较低；若时序异常，调试难度稍高（需排查硬件配置）。

总结
简单说，软件 I2C 是 “用代码模拟电线的通断节奏”，硬件 I2C 是 “让专用电路自动控制节奏”。实际开发中，若引脚紧张或需灵活调整时序，可选软件 I2C；若追求效率和高速通信，优先用硬件 I2C。

二、I2C协议的温湿度传感器的数据采集（通过串口）

以下是基于 STM32F103C8T6 和 HAL 库实现 AHT20 温湿度采集的详细配置与代码实现，包含 STM32CubeMX 配置、硬件连接、核心代码及测试流程：

1. 硬件准备与连接

硬件清单

STM32F103C8T6 最小系统板
AHT20 (或UHT20) 温湿度传感器模块（自带 I2C 接口，通常已内置上拉电阻）
USB-TTL模块（用于串口通信）
杜邦线若干

接线说明（硬件 I2C 为例，使用 I2C1）

STM32 引脚	AHT20	说明
PB6	SCL	I2C 时钟线（硬件 I2C1_SCL）
PB7	SDA	I2C 数据线（硬件 I2C1_SDA）
3.3V	VCC	传感器供电（需 3.3V，不可接 5V）
GND	GND	共地
PA9	TX（USB-TTL）	串口发送（USART1_TX）
PA10	RX（USB-TTL）	串口接收（USART1_RX）

2. STM32CubeMX 配置步骤

基础配置（RCC、SYS）

RCC 配置：勾选HSE（外部高速时钟），配置时钟树为 72MHz（APB1 分频设为 2，I2C 时钟频率由 APB1 提供，最高 400kHz）。
SYS 配置：Debug 选择Serial Wire（方便调试）。

在这里插入图片描述

I2C 配置（硬件 I2C1）

外设选择：在 Pinout 视图中，找到 I2C1，将 PB6 配置为I2C1_SCL，PB7 配置为I2C1_SDA。
参数配置：
- 模式：I2C（默认）
- 时钟频率：100kHz（AHT20 支持标准模式，100kHz 足够）
- 地址模式：7-bit（AHT20 的 I2C 地址为 0x38，7 位）
- 其余保持默认（无需使能中断，采用轮询方式）。

在这里插入图片描述

串口配置（USART1）

模式：Asynchronous（异步通信）
参数：波特率115200，无奇偶校验，1 停止位，无硬件流控。
引脚自动分配为 PA9（TX）、PA10（RX）。

在这里插入图片描述

生成工程
选择 IDE（如 MDK-ARM V5），勾选 “Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral”，生成代码。

在这里插入图片描述

3. 配置keil5的代码

以下是基于 HAL 库的 AHT20 驱动整合代码：

宏定义与全局变量（main.c 中）

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
// AHT20设备地址（7位地址左移1位，HAL库要求）
#define AHT20_ADDR         0x70  // 0x38 << 1

// 命令定义
#define AHT20_CMD_INIT     0xBE  // 初始化命令
#define AHT20_CMD_MEASURE  0xAC  // 测量命令
#define AHT20_CMD_RESET    0xBA  // 软复位命令

// 状态位定义
#define AHT20_STATUS_BUSY  0x80  // 忙状态位
#define AHT20_STATUS_CAL   0x08  // 校准状态位


/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

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

/* USER CODE BEGIN PV */
float humidity = 0.0f;    // 湿度值(%)
float temperature = 0.0f; // 温度值(℃)
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
uint8_t AHT20_Init(void);
uint8_t AHT20_ReadData(void);
uint8_t AHT20_Reset(void);
/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
  * @brief  AHT20软复位
  * @retval 0:成功 其他:失败
  */
uint8_t AHT20_Reset(void) {
  uint8_t cmd = AHT20_CMD_RESET;
  HAL_StatusTypeDef status;
  
  status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDR, &cmd, 1, 100);
  HAL_Delay(20);  // 复位后等待20ms
  return (status == HAL_OK) ? 0 : 1;
}

/**
  * @brief  初始化AHT20传感器
  * @retval 0:成功 1:复位失败 2:初始化命令失败 3:未校准
  */
uint8_t AHT20_Init(void) {
  uint8_t status;
  uint8_t init_buf[3] = {AHT20_CMD_INIT, 0x08, 0x00};  // 初始化命令+参数
  
  // 软复位
  if (AHT20_Reset() != 0) {
    return 1;
  }
  
  // 发送初始化命令
  status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDR, init_buf, 3, 100);
  if (status != HAL_OK) {
    return 2;
  }
  
  HAL_Delay(10);  // 等待初始化完成
  
  // 检查校准状态
  uint8_t status_reg;
  if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDR, &status_reg, 1, 100) != HAL_OK) {
    return 3;
  }
  if ((status_reg & AHT20_STATUS_CAL) == 0) {
    return 3;  // 未校准
  }
  
  return 0;
}

/**
  * @brief  读取AHT20温湿度数据
  * @retval 0:成功 1:测量命令失败 2:读取数据失败 3:数据无效
  */
uint8_t AHT20_ReadData(void) {
  uint8_t measure_buf[3] = {AHT20_CMD_MEASURE, 0x33, 0x00};  // 测量命令+参数
  uint8_t data[6];  // 接收缓冲区
  uint32_t hum_raw, temp_raw;
  uint8_t i;
  
  // 发送测量命令
  if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDR, measure_buf, 3, 100) != HAL_OK) {
    return 1;
  }
  
  // 等待测量完成（最多等待100ms）
  for (i = 0; i < 100; i++) {
    HAL_Delay(1);
    if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDR, data, 1, 10) == HAL_OK) {
      if ((data[0] & AHT20_STATUS_BUSY) == 0) {
        break;  // 测量完成
      }
    }
  }
  if (i >= 100) {
    return 3;  // 测量超时
  }
  
  // 读取完整数据（6字节）
  if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDR, data, 6, 100) != HAL_OK) {
    return 2;
  }
  
  // 解析湿度（20位数据）
  hum_raw = ((uint32_t)data[1] << 12) | ((uint32_t)data[2] << 4) | (data[3] >> 4);
  humidity = (hum_raw / (float)(1 << 20)) * 100.0f;
  
  // 解析温度（20位数据）
  temp_raw = ((uint32_t)(data[3] & 0x0F) << 16) | ((uint32_t)data[4] << 8) | data[5];
  temperature = (temp_raw / (float)(1 << 20)) * 200.0f - 50.0f;
  
  return 0;
}

// 重定向printf到USART1
int fputc(int ch, FILE *f) {
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
  return ch;
}




/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t init_status;
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

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

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

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

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("AHT20 Test Start...\r\n");
  
  // 初始化AHT20
  init_status = AHT20_Init();
  if (init_status != 0) {
    printf("AHT20 Init Failed! Error: %d\r\n", init_status);
  } else {
    printf("AHT20 Init Success!\r\n");
  }
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if (init_status == 0) {
      uint8_t read_status = AHT20_ReadData();
      if (read_status == 0) {
        printf("Humidity: %.2f %%  Temperature: %.2f ℃\r\n", humidity, temperature);
      } else {
        printf("Read Data Failed! Error: %d\r\n", read_status);
      }
    }
    HAL_Delay(1000);  // 1秒读取一次
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

注意：这部分代码需检查 printf 重定向是否生效（HAL 库关键）
代码中虽有 fputc 重定向，但 Keil 需开启「微库」才能支持 printf，否则函数无法调用：
打开 Keil 工程，点击菜单栏「Options for Target」（魔法棒图标）。
切换到「Target」标签，在「Code Generation」下勾选 Use MicroLIB（微库）。
点击「OK」，重新编译烧录。
原理：标准 C 库的 printf 依赖文件系统，嵌入式环境需用微库简化实现，否则重定向无效。

测试验证

编译烧录：将代码编译后，通过 ST-Link 或串口下载到 STM32F103C8T6。
上位机配置：打开串口助手（如 SSCOM），选择 USB-TTL 对应的 COM 口，波特率 115200，无奇偶校验。
现象观察：串口助手每隔 2 秒收到一行数据，格式为：
Humidity: 45.32 %，Temperature: 22.94 C
用手触摸 AHT20，温度和湿度值应随环境变化。

实验结果如下：

在这里插入图片描述

温湿度

总结

本次实践围绕STM32F103C8T6与AHT20温湿度传感器的I2C通信展开，从协议理论到实战开发形成完整闭环，成功实现了每隔1秒采集温湿度数据并通过串口输出的核心需求。

在理论层面，通过分层思想清晰拆解了I2C协议的物理层与协议层：物理层的“两线制+上拉电阻”设计简化了硬件连接，协议层的起始/停止信号、寻址机制、应答逻辑则保障了数据传输的准确性；同时明确了软件I2C与硬件I2C的差异，为实际开发中选择合适的通信方式提供了依据。

实战环节中，基于STM32CubeMX完成了高效配置——HSE时钟72MHz的精准设定、I2C1（100kHz标准模式）与USART1（115200波特率）的参数配置，大幅降低了底层开发复杂度。代码实现上，通过AHT20的软复位、初始化校准、测量命令发送与20位原始数据解析，精准计算出温湿度物理量；串口重定向功能的实现（需开启Keil微库）则确保了数据能实时上传至上位机。

测试结果表明，串口助手可稳定接收格式规范的温湿度数据，且数据随环境变化（如触摸传感器导致温度上升），验证了方案的可行性。本次实践不仅夯实了I2C协议与STM32外设配置的基础，更积累了多模块协同开发的经验，为后续拓展OLED显示、多传感器组网等复杂功能提供了可靠的技术支撑。