长春疫重居家防疫，调试并分享STC15W@HTU21D模拟I2C驱动代码【附逻辑分析图】

慕名而来

闲话：
先上开场诗一首抒怀：
新年才过冬将去，
南风初至柳含绿。
各行才张人抖擞，
冰河初开新流急。
一夜醒来疫又起，
居家不出再防疫。
阳光融尽昨日雪，
长春不日定胜利。

话说，居家不出百无聊赖，又有前日拙作打油诗为证：

限行闭户宅内囚，
常看视讯常忧愁。
早茶午餐过晌酒，
只盼睡醒三杆头。
喇叭声声扰晨梦，
严遮密裹忙下楼。
相视无语远排队，
验明正身捅咽喉。

---------✄------------✄---------------------------------------------------
正题：
前几天发帖求教关于单片机模拟I2C总线以非主机模式驱动HTU21D时对单片机其他工作是否有影响？请教关于I2C总线问题https://www.mydigit.cn/thread-301611-1-1.html(出处: 数码之家)
虽然没能弄的很懂，但是闲来无事调试的这段STC15W单片机驱动HTU21D的代码还是调试完成了，分享于此也留作备份，新手用到时可以看看，高手发现问题时敬请指正。
注释：
1.代码没有拆分I2C.c和HTU21D.c，用到的朋友可以自己改编，如果用于各种屏幕显示时请自行匹配显示函数，如果用于串口助手演示时请自行匹配串口代码。
2.代码包含详细注解，后面的逻辑分析图片上也有注解，此处只粘贴代码不加文字讲解了。
3.代码由网上例程改编，如有雷同并不意外。

1. //单片机：STC15W408AS
   
2. //温湿度传感器：HTU21D
   
3. #include <STC15W.H>
   
4. 
   
5. #define uchar unsigned char         
   
6. #define uint  unsigned int
   
7. sbit SDAK=P1^2;
   
8. sbit SCLK=P1^3;
   
9. //----IIC总线的开始信号-------
   
10. void i2c_start()
    
11. {
    
12.     SDAK=1;
    
13.     delay_I2C();
    
14.         SCLK=1;                //SCL高电平
    
15.         delay_I2C();
    
16.     SDAK=0;                //SCL高电平时期间SDA出现下降沿
    
17.     delay_I2C();
    
18. 
    
19. }
    
20. //----IIC总线的停止信号--------
    
21. void i2c_stop()
    
22. {
    
23.     SDAK=0;
    
24.     delay_I2C();
    
25.     SCLK=1;                //SCL高电平
    
26.     delay_I2C();
    
27.     SDAK=1;                //SCL高电平期间SDA出现上升沿
    
28.     delay_I2C();
    
29. }
    
30. //----从机响应ACK状态查询函数-----------------------------
    
31. //返回0--ACK、返回1--NAK
    
32. bit Receive_ACK()
    
33. {
    
34. uchar i=0,ACK_Flag=0;
    
35. 
    
36. SCLK=1;
    
37. delay_I2C();
    
38. //SCL高电平期间检测SDA是否被从机拉低或者超时未响应
    
39. while((SDAK==1)&&i<250)
    
40. {
    
41. i++;
    
42. }
    
43. SCLK=0;
    
44. delay_I2C();
    
45. //以下返回检测状态
    
46. if(i==250)//超时未响应为无应答状态
    
47. {
    
48. ACK_Flag=1;//返回NAK
    
49. }
    
50. if(i<250)//从机给出了应答、数据线出现了下跳信号
    
51. {
    
52. ACK_Flag=0;//返回ACK
    
53. }
    
54. return ACK_Flag;
    
55. }
    
56. //----主机向IIC总线发送ACK--------
    
57. void Send_ack()
    
58. {
    
59.    SCLK=0;
    
60.    delay_I2C();        
    
61.    SDAK=0;
    
62.    delay_I2C();
    
63.    SCLK=1;
    
64.    delay_I2C();        
    
65.    SCLK=0;
    
66.    delay_I2C();        
    
67.    SDAK=1;
    
68. }
    
69. //----主机向IIC总线发送NACK--------
    
70. void Send_nack()
    
71. {
    
72.    SCLK=0;
    
73.    delay_I2C();        
    
74.    SDAK=1;  
    
75.    delay_I2C();
    
76.    SCLK=1;
    
77.    delay_I2C();
    
78.    SCLK=0;
    
79.    delay_I2C();        
    
80. }
    
81. //----向总线上写一个字节数据-------------------------------
    
82. //通过数据左移利用C51寄存器可以位操作的CY位、发送数据的最高位
    
83. void write_dat(uchar date)
    
84. {
    
85.     uchar i;
    
86.     for(i=0; i<8; i++)
    
87.     {
    
88.         date=date<<1;        //将字节的第一位左移入CY位
    
89.         SCLK=0;                        //拉低时钟准备主机发送
    
90.         delay_I2C();
    
91.         SDAK=CY;                //发送一位数据
    
92.         delay_I2C();
    
93.         SCLK=1;                        //拉高时钟等待从机读取
    
94.         delay_I2C();
    
95.     }
    
96.     //完成一个8位字节数据的发送后释放总线
    
97.     SCLK=0;                                //拉低SCL线准备主机后续的读写操作
    
98.     delay_I2C();
    
99.     SDAK=1;                                //拉高SDA线等待读写数据
    
100.     delay_I2C();
     
101. }
     
102. //----在总线上读取一个字节数据--------------
     
103. uchar read_dat()
     
104. {
     
105.     uchar i,k=0;
     
106.     //首先释放总线
     
107.         SCLK=0;                                //拉低SCL线准备主机后续的读写操作
     
108.     delay_I2C();
     
109.     SDAK=1;                                //拉高SDA线等待读写数据
     
110.     delay_I2C();
     
111.     for(i=0; i<8; i++)
     
112.     {
     
113.         SCLK=1;                //拉高时钟线读取SDA的状态(只有在SCL=1时SDA是稳定数据)
     
114.         delay_I2C();
     
115.         k=(k<<1)|SDAK;//K中的数据的最后一位根据SDA状态改变后再左移后存入K中
     
116.         SCLK=0;                //拉低时钟线允许从机改变SDA线的状态
     
117.         delay_I2C();
     
118.     }
     
119.     return k;
     
120. }
     
121. //----SHT20软件复位，主函数中调用----------------------------------------------------
     
122. void SoftReset()
     
123. {
     
124. //复位I2C总线
     
125.     SDAK = 1;
     
126.     delay_I2C();
     
127.     SCLK = 1;
     
128.     delay_I2C();
     
129. //复位HTU21D
     
130.     i2c_start();     
     
131.     write_dat(0x80);
     
132.         Send_ack();
     
133.     write_dat(0xfe);//发送复位指令
     
134.         Send_ack();
     
135.     i2c_stop();      
     
136.         delay_ms(30);//等待复位操作完成
     
137. }
     
138. //----非主机模式，读取函数函数---------------------------------------------
     
139. uint ReadSht20(uchar whatdo)
     
140. {
     
141.     float temp;//设置用于浮点运算的变量
     
142.     uchar MSB,LSB;
     
143.         uint HT;
     
144.         delay_ms(100);
     
145.     i2c_start();
     
146.         write_dat(0x80);
     
147.         Receive_ACK();
     
148.         write_dat(whatdo);
     
149.         Receive_ACK();
     
150.         do  
     
151.         {  
     
152.         delay_I2C();  
     
153.         i2c_start();   
     
154.         write_dat(0x81);
     
155.         }while(Receive_ACK()==1);//非主机模式、检测到SDA抬起时器件操作结束开始取出数据
     
156.         MSB = read_dat();
     
157.         Send_ack();
     
158.         LSB = read_dat();
     
159.         Send_nack();
     
160.         i2c_stop();
     
161.             LSB &= 0xfc;                              
     
162.             temp = MSB*256 + LSB;                     
     
163.             if (whatdo==0xf5)                  
     
164.             {        
     
165.                                 HT=(temp*125)/65536-6;
     
166.             }
     
167.                         if (whatdo==0xf3)                                         
     
168.             {   
     
169.                                 HT=(temp*175.72)/65536-46.85;
     
170.                         }               
     
171.     return HT*100;//数据放大100倍显示小数点后两位
     
172. }
     

复制代码

mmxx2015

没必要那么麻烦。
启动转换后，延时比“转换位数-最长转换时间”稍长的时间再去读取转换值就可以了，比如14位温度转换至少需要85mS，可以启动转换100mS后再去读取温度值，湿度12位转换最多需要29mS，为公用程序，可以统一做成100mS后读取。转换期间I2C总线是空闲的，CPU可以与其它设备通讯或执行其它任务。

mmxx2015

为保证数据可靠，数据要做CRC8校验，SHT21 CRC8计算方法为：

1. 生成多项式=x8+x5+x4+1，初值Init=0x00，输入反转RefIn=false，输出反转RefOut=false，执行完RefOut之后，对结果进行异或全0或者全1 XorOut=0x00

复制代码

可以用表格快速计算，表格：

1. //CRC8计算表格
   
2. //生成多项式=x8+x5+x4+1，初值Init=0x00，输入反转RefIn=false，输出反转RefOut=false，执行完RefOut之后，对结果进行异或全0或者全1 XorOut=0x00
   
3. const unsigned char CRC8_0x131[256]=
   
4. {
   
5.         0x00,0x31,0x62,0x53,0xC4,0xF5,0xA6,0x97,0xB9,0x88,0xDB,0xEA,0x7D,0x4C,0x1F,0x2E,
   
6.         0x43,0x72,0x21,0x10,0x87,0xB6,0xE5,0xD4,0xFA,0xCB,0x98,0xA9,0x3E,0x0F,0x5C,0x6D,
   
7.         0x86,0xB7,0xE4,0xD5,0x42,0x73,0x20,0x11,0x3F,0x0E,0x5D,0x6C,0xFB,0xCA,0x99,0xA8,
   
8.         0xC5,0xF4,0xA7,0x96,0x01,0x30,0x63,0x52,0x7C,0x4D,0x1E,0x2F,0xB8,0x89,0xDA,0xEB,
   
9.         0x3D,0x0C,0x5F,0x6E,0xF9,0xC8,0x9B,0xAA,0x84,0xB5,0xE6,0xD7,0x40,0x71,0x22,0x13,
   
10.         0x7E,0x4F,0x1C,0x2D,0xBA,0x8B,0xD8,0xE9,0xC7,0xF6,0xA5,0x94,0x03,0x32,0x61,0x50,
    
11.         0xBB,0x8A,0xD9,0xE8,0x7F,0x4E,0x1D,0x2C,0x02,0x33,0x60,0x51,0xC6,0xF7,0xA4,0x95,
    
12.         0xF8,0xC9,0x9A,0xAB,0x3C,0x0D,0x5E,0x6F,0x41,0x70,0x23,0x12,0x85,0xB4,0xE7,0xD6,
    
13.         0x7A,0x4B,0x18,0x29,0xBE,0x8F,0xDC,0xED,0xC3,0xF2,0xA1,0x90,0x07,0x36,0x65,0x54,
    
14.         0x39,0x08,0x5B,0x6A,0xFD,0xCC,0x9F,0xAE,0x80,0xB1,0xE2,0xD3,0x44,0x75,0x26,0x17,
    
15.         0xFC,0xCD,0x9E,0xAF,0x38,0x09,0x5A,0x6B,0x45,0x74,0x27,0x16,0x81,0xB0,0xE3,0xD2,
    
16.         0xBF,0x8E,0xDD,0xEC,0x7B,0x4A,0x19,0x28,0x06,0x37,0x64,0x55,0xC2,0xF3,0xA0,0x91,
    
17.         0x47,0x76,0x25,0x14,0x83,0xB2,0xE1,0xD0,0xFE,0xCF,0x9C,0xAD,0x3A,0x0B,0x58,0x69,
    
18.         0x04,0x35,0x66,0x57,0xC0,0xF1,0xA2,0x93,0xBD,0x8C,0xDF,0xEE,0x79,0x48,0x1B,0x2A,
    
19.         0xC1,0xF0,0xA3,0x92,0x05,0x34,0x67,0x56,0x78,0x49,0x1A,0x2B,0xBC,0x8D,0xDE,0xEF,
    
20.         0x82,0xB3,0xE0,0xD1,0x46,0x77,0x24,0x15,0x3B,0x0A,0x59,0x68,0xFF,0xCE,0x9D,0xAC,
    
21. };

复制代码

查表计算程序

1. unsigned char  Calc_CRC8(unsigned char  *pBuffer,unsigned char  len)
   
2. {
   
3.         unsigned char  crc8;
   
4.        
   
5.         crc8=0;        //初值=0
   
6.        
   
7.         do
   
8.         {
   
9.                 crc8=crc8^(*pBuffer);
   
10.                 crc8=CRC8_0x131[crc8];
    
11.                
    
12.                 pBuffer++;
    
13.         }while(--len);
    
14.        
    
15.         return crc8;
    
16. }

复制代码

温度值转换没必要使用浮点数，如果是51单片机，算浮点数很耗时。
温度值可以按放大100倍计算

温度值=(17572*数据/65536)-4685;        //*100倍

这个算式，实际上只需要计算(17572*数据)取高16位，然后减去4685就可以了，只需要做一次16位*16位乘法和一次16位-16位减法。

慕名而来

mmxx2015 发表于 2022-3-17 12:55
为保证数据可靠，数据要做CRC8校验，SHT21 CRC8计算方法为：
可以用表格快速计算，表格：
查表计算程序

真心感谢你分享的数据表和应用代码，回头我会将其移植到我的代码中去的，此前你说的用延时来替代循环等待的方法应该是合理的，如果弄一个定时器延时或许真的不浪费单片机的时间的，另外，你说的计算变量设置问题我的理解是，如果不用浮点的话想要获得放大100倍的数据也是需要长整型变量来计算的，我不知道C51处理浮点和处理长整型计算差别有多大或许长整型会更加合理一些。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2022-3-18 21:31
真心感谢你分享的数据表和应用代码，回头我会将其移植到我的代码中去的，此前你说的用延时来替代循环等待 ...

提醒一下，CRC算法并不通用，只有生成多项式、初值、输入反转、输出反转等设置一样时，才是一样的算法，不同的参数，查表法计算用的表格不一样，这个表格是sensirion在官网上提供的。
我说的延时和你理解的延时不太一样，我说的做法是累积一段短时间达到一段长时间，比如累积10次1毫秒得到10毫秒，每次累积时间内可以去做别的事，做完再看看时间到了没有，这样，CPU不做事的时间大大减少。就你这个应用而言，每一位的的传输应该用定时器中断来实现，因为就是1kbps速率也影响不大，这样，I2C传输几乎不占用CPU资源，可以腾出更多时间做其它事，如采集按键、刷新显示、把数据传给其它设备。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2022-3-18 21:31
真心感谢你分享的数据表和应用代码，回头我会将其移植到我的代码中去的，此前你说的用延时来替代循环等待 ...

就这个温度转换而言，整数计算比浮点数计算快多了。
下面用Keil C51 V9.52模拟AT89C52 24PC使用不同方法计算用时差异。软件模拟是，寄存器窗口下有个“sec”项以秒为单位统计运行时间，分别记录算前算后的时间，根据时间差就可以算出程序执行时间，如果是硬件实测，可以通过翻转IO测量脉宽精确测量。

浮点数计算和整数计算用时对比:

1. 数据=0x5EFC
   
2. 
   
3. 浮点计算法
   
4. t1=0.00019650
   
5. t2=0.00072150
   
6. △t=0.00072150-0.00019650=0.000525(S)=525(μS)
   
7. T1=1800 --损失精度
   
8. 
   
9. 整数计算法
   
10. t1=0.00072200
    
11. t2=0.00076200
    
12. △t=0.00097250-0.00076200=0.0002105(S)=210.5(μS)
    
13. T2=1818

复制代码

因为Keil C51编译器做16位*16位计算得不到正确结果，需强制转换为32位*32位，但用时还是比浮点数计算少很多。
你的算式会损失精度，需改成

1. HT=((temp*175.72)/65536.0-46.85)*100.0;

复制代码

才不会损失精度，而且改后执行时间还短一些。

1. 浮点计算法
   
2. t1=0.00019650
   
3. t2=0.00072100
   
4. △t=0.00072100-0.00019650=0.0005245(S)=524.5(μS)
   
5. T1=1818 --不损失精度

复制代码

因为Keil C51编译器把16位*16位做复杂了，用汇编程序计算，效率更高，执行时间只需要浮点数计算的十二分之一。

1. 汇编整数计算法
   
2. t1=0.00076250
   
3. t2=0.00080600
   
4. △t=0.00080600-0.00076250=0.0000435(S)=43.5(μS)
   
5. T2=1818

复制代码

16位*16位汇编程序如下：

1. $NOMOD51
   
2. 
   
3. NAME        MUL_ASM
   
4. 
   
5. 
   
6. ?PR?_uint_mul_uint?MUL_ASM        SEGMENT        CODE
   
7. 
   
8.         PUBLIC        _uint_mul_uint
   
9. 
   
10. ; //******************************************************************
    
11. 
    
12. 
    
13. ; //******************************************************************
    
14. ; // 函数名        ：unsigned long uint_mul_uint(unsigned int x,unsigned int y)
    
15. ; // 功能        ：16位*16位
    
16. ; // 参数        ：16位x,16位y
    
17. ; // 返回值        ：32位乘积
    
18. ; //******************************************************************
    
19. ;R4,R5 * R6,R7
    
20. 
    
21. 
    
22.         RSEG ?PR?_uint_mul_uint?MUL_ASM
    
23. 
    
24. _uint_mul_uint:
    
25.        
    
26.         USING 0
    
27.        
    
28.         MOV        AR0,        R4        ;暂存
    
29.         MOV        AR1,        R5
    
30.         MOV        AR2,        R6
    
31.         MOV        AR3,        R7
    
32.        
    
33.         MOV        A,        R5        ;R5*R7
    
34.         MOV        B,        R7
    
35.         MUL        AB
    
36.         XCH        A,        R7
    
37.         MOV        R6,        B
    
38.        
    
39.         MOV        B,        R4        ;+((R4*R7)<<8)
    
40.         MUL        AB       
    
41.         ADD        A,        R6
    
42.         MOV        R6,        A
    
43.         CLR        A
    
44.         ADDC        A,        B
    
45.         MOV        R5,        A
    
46.         CLR        A
    
47.         ADDC        A,        #00H
    
48.         MOV        R4,        A
    
49.        
    
50.         MOV        A,        AR1        ;+((R5*R6)<<8)
    
51.         MOV        B,        AR2
    
52.         MUL        AB
    
53.         ADD        A,        R6
    
54.         MOV        R6,        A
    
55.         MOV        A,        R5
    
56.         ADDC        A,        B
    
57.         MOV        R5,        A
    
58.         CLR        A
    
59.         ADDC        A,        #00H
    
60.         MOV        R4,        A
    
61.        
    
62.         MOV        A,        AR0        ;+((R4*R6)<<16)
    
63.         MOV        B,        AR2
    
64.         MUL        AB
    
65.         ADD        A,        R5
    
66.         MOV        R5,        A
    
67.         MOV        A,        R4
    
68.         ADDC        A,        B
    
69.         MOV        R4,        A
    
70.        
    
71.         RET
    
72. 
    
73.         END

复制代码

测试工程

ynqj2004

都是高手，一般只会改改io口

慕名而来

mmxx2015 发表于 2022-3-19 01:22
就这个温度转换而言，整数计算比浮点数计算快多了。
下面用Keil C51 V9.52模拟AT89C52 24PC使用不同方法 ...

好的明白了，昨晚再调试代码时改用长整形运算发现确实精度不同，原本小数点后两位为0的数据结果都有了数值，好多东西细究起来真的学问不少的，这次改编程序算是下功夫较大的一次学习了很多，很愿意和你交流。

慕名而来

mmxx2015 发表于 2022-3-18 22:20
提醒一下，CRC算法并不通用，只有生成多项式、初值、输入反转、输出反转等设置一样时，才是一样的算法， ...

@mmxx2015 再次请教，在crc8查表验算时，初值为crc8=0;是怎么来的，本例代码中我移植了你分享的函数和数据表，很好用，但是当我将其移植到另一个AHT25温湿度传感器的工程中时就不好用了，经过与官网例程对比后发现，需要的初值应该是crc8=0xff，改动后也顺利的移植成功了，我对crc校验理解不多所有搞不明白。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2022-3-21 14:18
@mmxx2015 再次请教，在crc8查表验算时，初值为crc8=0;是怎么来的，本例代码中我移植了你分享的函数和数 ...

初值、反转是自行约定的。
CRC-8校验原理及软件实现
https://blog.csdn.net/eurphan_y/article/details/85161286

慕名而来

mmxx2015 发表于 2022-3-21 17:13
初值、反转是自行约定的。
CRC-8校验原理及软件实现
https://blog.csdn.net/eurphan_y/article/details/8 ...

问题解决了，在HTU21D的一个手册中找到了答案，但AHT**手册中没有提及，这个初值是器件自身的通讯协议规定的，HTU21D的CRC初值为0x00，而AHT25的CRC初值也就是0xff了。