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24. 基于立创·地文星CW32F030C8T6的软件I2C驱动SHT20温湿度传感器实战

最近在做一个环境监测的小项目，需要用到温湿度传感器。手头正好有立创·地文星CW32F030C8T6开发板和SHT20传感器，但发现开发板的硬件I2C引脚已经被其他功能占用了。这时候，软件模拟I2C（也叫软件I2C）就成了一个非常灵活的解决方案。今天我就来手把手教大家，如何用CW32F030C8T6的任意两个GPIO引脚，通过软件模拟I2C协议，成功驱动SHT20温湿度传感器。

这篇文章非常适合刚开始接触嵌入式开发，或者对I2C通信协议还不太熟悉的朋友。咱们不扯那些复杂的理论，直接从硬件接线开始，一步步写代码，直到在串口上看到正确的温湿度数据。整个过程我会把每个步骤的原理和注意事项都讲清楚，确保你看完就能自己动手做出来。

1. 准备工作：认识SHT20和软件I2C

1.1 SHT20温湿度传感器简介

SHT20是一款非常常用的数字式温湿度传感器。它内部采用电容式测量技术，精度和稳定性都很好，最关键的是它使用标准的I2C接口和我们单片机通信，非常方便。

它的主要参数如下：

测量范围：温度 -40°C 到 +125°C，湿度 0% 到 100% RH
接口：I2C数字接口
应用：空气质量监测、气象站、恒温恒湿控制、仓储管理等

简单来说，它就是一个通过两根线（SDA数据线和SCL时钟线）就能读取数据的“小模块”。

1.2 什么是软件I2C？

咱们的开发板（CW32F030C8T6）本身是有硬件I2C外设的，但硬件I2C的引脚是固定的（比如PB6、PB7）。如果这些引脚被其他功能（比如串口、SPI）占用了，或者你想把I2C功能放到更顺手的位置布线，硬件I2C就用不了了。

软件I2C就是来解决这个问题的。它的核心思想是：不用单片机自带的I2C硬件模块，而是用程序控制两个普通的GPIO引脚，一个模拟时钟线（SCL）的高低电平变化，另一个模拟数据线（SDA）的收发。这样，任何两个能输入输出的GPIO引脚都能变成I2C接口，非常自由。

当然，软件I2C也有缺点：它需要CPU不断地执行指令来模拟时序，会占用一些CPU资源，并且通信速度一般比硬件I2C慢。但对于读取SHT20这种不需要高速通信的传感器来说，软件I2C是完全够用且非常实用的。

1.3 硬件连接

接线非常简单，只需要四根线：

立创·地文星开发板引脚	SHT20传感器引脚	说明
3.3V	VCC	电源正极
GND	GND	电源地
PB0	SCL	I2C时钟线（我们软件模拟）
PB1	SDA	I2C数据线（我们软件模拟）

注意：SHT20是3.3V器件，一定要接3.3V，不要接5V，否则可能损坏传感器。另外，I2C总线上通常需要加上拉电阻（一般4.7kΩ或10kΩ），但很多开发板（包括地文星）和传感器模块已经内置了，如果你的模块没有，需要在SDA和SCL线上各接一个上拉电阻到3.3V。

2. 软件I2C驱动编写：从引脚配置到完整协议

软件I2C的代码编写可以分成三个清晰的步骤：配置引脚、模拟I2C基础时序、编写针对SHT20的通信流程。咱们一步一步来。

2.1 第一步：配置GPIO引脚

既然我们要用PB0和PB1来模拟I2C，首先得把它们配置好。在嵌入式开发里，操作任何一个引脚前，都要做三件事：打开时钟、设置模式、初始化。

为了方便管理和修改，我们先把引脚定义做成宏，放在一个头文件里。我一般会创建一个bsp_sht20.h文件（bsp是板级支持包的意思）。

/* bsp_sht20.h */ #ifndef __BSP_SHT20_H__ #define __BSP_SHT20_H__ #include "board.h" // 1. 时钟和端口宏定义 #define RCC_SHT20_ENABLE() __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() // 使能GPIOB的时钟 #define PORT_SHT20 CW_GPIOB // 使用GPIOB端口 #define GPIO_SCL GPIO_PIN_0 // SCL时钟线使用PB0 #define GPIO_SDA GPIO_PIN_1 // SDA数据线使用PB1 // 2. SDA引脚模式切换宏（关键！） // SDA线在通信过程中需要在“输出模式”（主机发送数据）和“输入模式”（主机接收数据）之间切换 // 上拉输入模式：用于读取从机（SHT20）发送过来的数据 #define SDA_IN() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; \ GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA; \ GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT_PULLUP; \ GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; \ GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStruct); \ } // 开漏输出模式：用于主机（单片机）向SDA线输出数据 // 注意：I2C协议要求总线是“线与”逻辑，必须使用开漏输出模式，并依靠外部上拉电阻拉到高电平。 #define SDA_OUT() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; \ GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA; \ GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; \ GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; \ GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStruct); \ } // 3. 引脚电平控制与读取宏 #define SCL(BIT) GPIO_WritePin(PORT_SHT20, GPIO_SCL, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET) #define SDA(BIT) GPIO_WritePin(PORT_SHT20, GPIO_SDA, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET) #define SDA_GET() GPIO_ReadPin(PORT_SHT20, GPIO_SDA) // 函数声明 void SHT20_GPIO_INIT(void); float SHT20_Read(unsigned char regaddr); #endif

这里有几个关键点：

开漏输出 (Output Open-Drain)：这是I2C总线标准要求的模式。简单理解，开漏输出只能主动把线拉低（输出0），而不能主动输出高电平（1）。高电平是靠连接在总线上的上拉电阻拉上去的。这样，当多个设备连在总线上时，任何一个设备输出低电平，整条线就是低电平，实现了“线与”功能，避免了冲突。
SDA模式切换：SDA线既要发送数据也要接收数据，所以必须在输出和输入模式之间动态切换。我们用SDA_OUT()和SDA_IN()这两个宏来快速切换。

接下来，在bsp_sht20.c文件里实现引脚的初始化函数：

/* bsp_sht20.c - 引脚初始化部分 */ void SHT20_GPIO_INIT(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // 定义一个GPIO初始化结构体 RCC_SHT20_ENABLE(); // 第一步：打开GPIOB的时钟开关 // 初始化SCL和SDA都为开漏输出模式 // 起始状态下，SDA也设置为输出，因为起始信号需要主机控制SDA GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SCL | GPIO_SDA; // 要初始化的引脚：PB0和PB1 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 模式：开漏输出 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; // 输出速度：高速 GPIO_Init(PORT_SHT20, &GPIO_InitStruct); // 调用初始化函数 // 初始化后，将两条线都置为高电平（总线空闲状态） SCL(1); SDA(1); }

这个函数在程序开始的时候调用一次就行了，它把PB0和PB1都设置成了开漏输出，并且让它们处于高电平（总线空闲）。

2.2 第二步：模拟I2C基础时序

I2C通信就像两个人打电话，需要一套固定的“暗号”来开始对话、发送每一位数据、结束对话。这些“暗号”就是时序。我们需要用代码模拟出以下6个基本时序函数：

起始信号 (Start)：通知总线上的所有设备：“我要开始说话了”。
停止信号 (Stop)：通知设备：“我说完了”。
发送一个字节 (Write Byte)：把8位数据一位一位地发出去。
读取一个字节 (Read Byte)：从SDA线上一一位一位地读入8位数据。
发送应答 (Send ACK)：主机告诉从机：“我收到你的数据了”。
等待应答 (Wait ACK)：主机发送完地址或数据后，等待从机回复：“我收到了”。

这些函数的实现是软件I2C的核心，一定要理解时序图。不过别担心，代码我已经帮你写好了，并且加了详细注释。

/* bsp_sht20.c - I2C基础时序函数 */ /* 起始信号：SCL高电平时，SDA产生一个下降沿 */ void IIC_Start(void) { SDA_OUT(); // 确保SDA为输出模式 SCL(1); // 确保SCL为高 SDA(1); // 确保SDA为高 delay_us(5); // 保持一段时间 SDA(0); // SDA拉低，产生下降沿 -> 起始信号 delay_us(5); SCL(0); // 随后拉低SCL，准备发送数据 delay_us(5); } /* 停止信号：SCL高电平时，SDA产生一个上升沿 */ void IIC_Stop(void) { SDA_OUT(); SCL(0); // 先确保SCL为低 SDA(0); // 确保SDA为低 delay_us(5); SCL(1); // SCL拉高 delay_us(5); SDA(1); // SDA拉高，产生上升沿 -> 停止信号 delay_us(5); } /* 发送一个字节 (8位数据) */ void IIC_Write(uint8_t data) { uint8_t i; SDA_OUT(); SCL(0); // 拉低时钟线，准备数据变化 for(i = 0; i < 8; i++) { // 先放置数据位：取出最高位(bit7)，右移7位后，不是1就是0 SDA((data & 0x80) >> 7); delay_us(2); // 数据建立时间 data <<= 1; // 左移，为发送下一位做准备 delay_us(6); SCL(1); // 拉高SCL，从机在此时刻采样SDA数据 delay_us(4); SCL(0); // 拉低SCL，完成一位数据的传输 delay_us(4); } } /* 读取一个字节 */ uint8_t IIC_Read(void) { uint8_t i, receive = 0; SDA_IN(); // 切换SDA为输入模式，准备读取 for(i = 0; i < 8; i++) { SCL(0); delay_us(5); SCL(1); // 拉高SCL，主机准备读取数据 delay_us(5); receive <<= 1; // 左移，为接收新数据位腾出最低位 if(SDA_GET()) // 读取当前SDA电平 { receive |= 1; // 如果为高电平，最低位置1 } delay_us(5); } return receive; } /* 主机发送应答(ACK)或非应答(NACK) */ // ack=0: 发送应答(ACK)，拉低SDA // ack=1: 发送非应答(NACK)，保持SDA高 void IIC_Send_Ack(uint8_t ack) { SDA_OUT(); SCL(0); if(!ack) SDA(0); // 发送ACK else SDA(1); // 发送NACK delay_us(5); SCL(1); // 产生一个时钟脉冲，从机采样应答位 delay_us(5); SCL(0); SDA(1); // 释放SDA线 } /* 主机等待从机的应答 */ // 返回0: 从机应答了(ACK) // 返回1: 从机无应答(NACK)，可能设备地址错误或设备不存在 uint8_t IIC_Wait_Ack(void) { uint8_t ack_flag = 10; // 超时计数 SDA_IN(); // SDA设为输入，检测从机拉低的ACK信号 SDA(1); // 主机先释放SDA线（靠上拉电阻为高） delay_us(5); SCL(1); // 拉高SCL，从机应在此期间拉低SDA delay_us(5); // 循环检测SDA是否被从机拉低，并加入超时机制 while((SDA_GET() == 1) && (ack_flag)) { ack_flag--; delay_us(5); } if(ack_flag <= 0) // 超时，未收到应答 { IIC_Stop(); // 发送停止信号，释放总线 return 1; // 返回1表示失败 } else // 收到应答 { SCL(0); // 拉低SCL，结束ACK周期 SDA_OUT(); // 切换回输出模式，为后续发送做准备 return 0; // 返回0表示成功 } }

时序调试心得：这里的delay_us延时时间很关键。太快了传感器可能反应不过来，太慢了通信效率低。SHT20的I2C标准模式支持100kHz，你可以根据这个频率来估算延时。如果通信不稳定，可以适当增大这里的延时时间试试。

2.3 第三步：编写SHT20专属通信函数

有了基础的I2C“语言”能力，现在我们要用这套“语言”和SHT20这个特定的“人”对话。对话前，需要知道它的“电话号码”（设备地址）和“沟通流程”（通信协议）。

SHT20的关键信息：

I2C设备地址：0x80（写操作时），0x81（读操作时）。这是7位地址0b1000000加上读写位构成的。
工作模式：我们使用非主机模式(Non-Hold Master)。在这个模式下，传感器测量数据时，I2C总线（SCL线）不会被它独占，我们单片机还可以干别的事，更灵活。
测量命令：
- 非主机模式读取温度：0xF3
- 非主机模式读取湿度：0xF5

通信流程（以读取温度为例）：整个流程就像我们打电话查天气：

拨号（起始信号+发送地址）：发送起始信号，然后发送SHT20的写地址0x80，告诉它“我要跟你说话”。
说出指令（发送命令）：发送温度测量命令0xF3，告诉它“请测量温度”。
等待并再次询问（等待+发起读请求）：等待一小会儿让传感器测量，然后再次发送起始信号和SHT20的读地址0x81，问它“数据好了吗？好了就发给我”。
接收数据（读取3个字节）：如果传感器回复“好了”（ACK），我们就连续读取3个字节。前两个字节是温度数据，第三个字节是CRC校验（本示例为简化未使用）。
挂电话（停止信号）：数据读完后，发送停止信号。

根据这个流程，我们封装一个通用的读取函数SHT20_Read：

/* bsp_sht20.c - 读取SHT20温湿度数据 */ float SHT20_Read(uint8_t regaddr) { unsigned char data_H = 0; // 数据高8位 unsigned char data_L = 0; // 数据低8位 float result = 0; // 换算后的最终值 unsigned short raw_data = 0; // 合并后的16位原始数据 // 1. 起始信号 + 发送设备写地址(0x80) IIC_Start(); IIC_Write(0x80); // 0x80 = 器件地址(0b1000000) + 写位(0) if(IIC_Wait_Ack() == 1) // 等待SHT20应答 { // 如果没应答，可能是接线问题或设备地址错误 printf("Error: No ACK after address write\r\n"); return -999.0; // 返回一个错误值 } // 2. 发送测量命令 (0xF3读温度，0xF5读湿度) IIC_Write(regaddr); if(IIC_Wait_Ack() == 1) { printf("Error: No ACK after command send\r\n"); return -999.0; } // 3. 等待测量完成，并发送读请求 // 在非主机模式下，需要不断询问传感器是否准备好数据 do { delay_us(10); // 等待一小段时间 IIC_Start(); // 重新发起起始信号 IIC_Write(0x81); // 发送设备读地址(0x81) // 如果传感器数据未准备好，会回复NACK，循环会继续 } while(IIC_Wait_Ack() == 1); // 等待ACK，收到ACK则跳出循环 delay_us(20); // 少量延时，确保数据稳定 // 4. 读取数据（共3字节：高8位、低8位、CRC8） data_H = IIC_Read(); // 读第一个字节（数据高8位） IIC_Send_Ack(0); // 主机回复ACK，要求继续发送 data_L = IIC_Read(); // 读第二个字节（数据低8位） IIC_Send_Ack(1); // 主机回复NACK（非应答），因为后面是CRC，我们这里不校验 // check = IIC_Read(); // 第三个字节是CRC校验，本示例跳过 IIC_Stop(); // 发送停止信号，结束通信 // 5. 数据处理 // 将两个8位数据合并成一个16位数据 raw_data = (data_H << 8) | data_L; // 清除低2位的状态位（根据SHT20手册，低2位是状态信息，不是测量数据） raw_data &= ~(0x0003); // 6. 数据换算（根据SHT20数据手册公式） if(regaddr == 0xf3) // 温度换算公式 { // 公式: T = -46.85 + 175.72 * (S / 2^16) result = (raw_data / 65536.0) * 175.72 - 46.85; } if(regaddr == 0xf5) // 湿度换算公式 { // 公式: RH = -6 + 125 * (S / 2^16) result = (raw_data / 65536.0) * 125.0 - 6.0; } return result; }

3. 实战验证：在主函数中调用

所有的底层驱动都写好了，现在到了最激动人心的环节：把它们用起来，看看能不能读到真实的温湿度。

我们在main.c文件中编写主程序：

/* main.c */ #include "board.h" #include "stdio.h" #include "bsp_uart.h" // 用于串口打印 #include "bsp_sht20.h" // 包含我们刚写的SHT20驱动 int32_t main(void) { board_init(); // 开发板基础初始化（系统时钟等） uart1_init(115200); // 初始化串口1，波特率115200，用于打印数据 // 初始化我们用于软件I2C的GPIO引脚（PB0, PB1） SHT20_GPIO_INIT(); // SHT20上电后需要一点时间初始化（手册要求至少15ms） delay_ms(20); printf("立创·地文星 SHT20 温湿度测试开始...\r\n"); while(1) { // 读取并打印温度值 float temperature = SHT20_Read(0xf3); printf("温度 = %.2f °C\r\n", temperature); // 读取并打印湿度值 float humidity = SHT20_Read(0xf5); printf("湿度 = %.2f %%RH\r\n", humidity); printf("-----------------\r\n"); delay_ms(1000); // 每隔1秒读取一次 } }

编译、下载到开发板，打开串口助手（波特率115200），你应该能看到类似下面的输出：

立创·地文星 SHT20 温湿度测试开始... 温度 = 25.36 °C 湿度 = 45.20 %RH ----------------- 温度 = 25.38 °C 湿度 = 45.18 %RH -----------------

看到这个，恭喜你！你已经成功用软件I2C驱动了SHT20传感器。

4. 常见问题与调试技巧

第一次做很可能不成功，别着急，嵌入式开发就是不断调试的过程。这里分享几个我踩过的坑：

没有任何输出，或者全是错误信息：
- 检查接线：这是最容易出错的地方！确保VCC、GND、SDA、SCL四根线都接对了，并且接触良好。
- 检查电源：确认SHT20接的是3.3V，不是5V。
- 检查上拉电阻：如果传感器模块上没有集成上拉电阻，一定要在SDA和SCL线上各接一个4.7kΩ的电阻到3.3V。
能收到数据，但数值明显不对（比如温度是-40或125）：
- 时序问题：软件I2C对延时非常敏感。尝试调整IIC_Write、IIC_Read等函数中的delay_us时间。可以稍微调大一点，比如都改成delay_us(10)。
- 数据位顺序：确认发送和接收数据时，是从最高位(MSB)开始还是最低位(LSB)开始。我们的代码是按照I2C标准，先发送最高位。
只能读到一次数据，后面就卡住了：
- 停止信号：确保每次完整的通信（无论是成功还是失败）后，都执行了IIC_Stop()来释放总线。
- 从机无应答处理：检查IIC_Wait_Ack函数中的超时机制和错误处理。在等待ACK的循环里，如果超时一定要发送Stop信号并退出，否则总线会一直处于占用状态。