前阵子有个做环境监控的活儿需要在一款基于 STM32 的主控板上加一路温湿度采集传感器选来选去最后定了 AHT21B。这个芯片精度不错成本也低通信接口是 IIC。不过实际用的时候板子上的两个硬件 I2C 外设一个被 LED 驱动占了另一个要留给后续的 OLED 屏手上又没有多余的空闲 I2C干脆就用 GPIO 软件模拟了一路 IIC把这颗 AHT21B 给跑起来了。整个过程走下来从时序到驱动从调试到读数坑和收获都不少今天整理出来给和我一样被“外设不够、GPIO 来凑”困扰的朋友做个参考。这套方案其实很典型STM32 的 GPIO 资源丰富软件模拟 IIC 不受引脚复用限制想用哪个脚就用哪个脚而且和硬件 I2C 比时序完全自己控制遇到波形问题排查起来也更直观。文章里我会把 AHT21B 的命令帧、模拟时序的构建方法、驱动的完整写法以及读取温湿度后到底怎么换算成真实的温度和湿度百分比都一步步展开。适合正在学 STM32 裸机开发的初学者也适合项目里碰到 I2C 冲突、想快速腾出一路接口的工程师。1. AHT21B传感器与软件模拟IIC的选型逻辑1.1 AHT21B到底是一颗什么样的传感器AHT21B 是奥松电子推出的温湿度传感器体积很小典型封装是 DFN焊盘间距只有 1mm 左右手工焊接稍微费点劲但用加热台或者风枪还是能处理。它的湿度测量范围是 0 到 100% RH温度范围是 -40 到 85 摄氏度精度方面湿度典型误差在正负 2% RH温度典型误差正负 0.2 摄氏度这个精度在环境监控、家电控制、农业大棚这类场景里完全够用。它工作的核心机制是电容式湿度感应原理传感器内部集成了调理电路和 ADC直接把温度、湿度模拟量转换成数字量然后通过 IIC 接口输出。和早期常用的 DHT11、DHT22 这类单总线传感器相比AHT21B 的优点是数据帧格式更规范没有 DHT11 那种容易受时序影响的位操作分辨率高温度和湿度各占 20 位实测读数稳定很多功耗很低测量模式下电流不到 1mA适合电池供电的设备IIC 地址固定是 0x38不用跳线配置多设备组网也方便。我之所以在 DHT11、SHT30、AHT21B 之间选了它主要看重的是性价比和供货稳定。SHT30 也很好但价格略高DHT11 又太老精度不够看。AHT21B 属于中间档位几块钱一颗性能满足大多数场景。1.2 为什么不用硬件I2C要费劲去软件模拟很多人看到这里会问STM32 不是自带 I2C 硬件外设吗直接用 I2C1、I2C2 不就行了理论上确实可以但实际项目里会遇到几个问题。第一引脚冲突。STM32 的硬件 I2C 引脚是固定的比如 F103 系列I2C1 只能复用 PB6/PB7I2C2 只能复用 PB10/PB11。如果这些引脚已经被别的功能占了比如接了按键、串口、PWM 输出那就很尴尬。我的板子上 PB6/PB7 正好接了 LED 驱动芯片PB10/PB11 预留给了后续扩展口硬件 I2C 根本就没法用。第二硬件 I2C 的调试成本并不低。STM32 标准库或者 HAL 库的硬件 I2C在 F1 上出了名的“脾气怪”尤其 CubeMX 自动生成的代码如果没做超时处理读数据时从机不响应很容易卡死在 while 循环里。软件模拟 IIC 则完全可控时钟输出、数据采样、等待时长全程自己说了算出问题也知道从哪里下手。第三引脚可重定义。软件模拟 IIC 的好处就是“百搭”你选任意两个 GPIO一个做 SCL一个做 SDA只要电平特性满足 IIC 协议要求就行。PCB 布线到哪个脚方便就用哪个脚特别灵活。对多传感器项目来说如果你后续想再接一个传感器软件模拟可以随时加一路成本只是一些 GPIO 和代码量。所以我的选型结论是如果硬件 I2C 引脚刚好空闲用硬件外设当然没问题但如果引脚冲突、代码已经基于 GPIO 框架那软件模拟 IIC 反而更省心。我这个项目就是典型的“硬件资源不够软件方案来凑”实测下来稳定性也非常好。2. 软件模拟IIC时序基础与GPIO实现2.1 IIC总线时序的四个基础动作IIC 协议本身并不神秘它是一条时钟线 SCL 加一条数据线 SDA所有通信都由主设备发起AHT21B 作为从设备只响应。要让软件模拟出一次标准的 IIC 通信你只需要掌握四个动作起始信号、停止信号、发送数据、接收数据。起始信号STARTSCL 保持高电平SDA 从高电平跳变到低电平。从设备看到这个跳变就知道主设备要开始通信了。 停止信号STOPSCL 保持高电平SDA 从低电平跳变到高电平。从设备收到这个信号就知道通信结束可以释放总线了。 发送数据每位数据的有效窗口在 SCL 高电平期间SDA 在这个时间段必须保持稳定SCL 低电平期间允许 SDA 变化。数据是高位先发的先发 bit7再发 bit6依次到最后一位。 接收数据同样在 SCL 高电平期间读取 SDA 的电平主设备读完 8 位数据后需要根据需求拉低 SDA 产生一个 ACK 应答信号表示“我收到数据了”如果是最后一个字节则不发 ACK 而是发一个 NACK。这四个动作说起来简单写代码的时候有讲究。尤其是时序的延时长度IIC 协议规定标准模式 100kbps 时SCL 高电平最小时间 4 微秒低电平最小时间 4.7 微秒快速模式 400kbps 时高电平和低电平各要 0.6 微秒左右。STM32 主频通常 72MHzGPIO 翻转一次就几纳秒的事所以软件模拟反而容易“太快”某些传感器可能跟不上。AHT21B 对时序宽容度一般稳妥起见我会在每个电平翻转后加 3 到 5 微秒的延时。2.2 AHT21B的命令帧与数据帧格式AHT21B 的 IIC 从机地址是 0x387 位地址。实际操作时写操作用的地址字节是 0x38 左移一位即 0x70读操作地址字节是 0x38 左移一位再加 1即 0x71。AHT21B 有几个关键命令软复位命令0xBA。传感器上电后如果状态异常可以发送这个命令复位。初始化命令0xBE。带两个参数 0x08、0x00用于开启传感器内部功能。不过这个命令不是每次都需要很多例程在正常使用前并不发送实测发现只要上电等待时间够直接测也没问题。触发测量命令0xAC。带两个参数 0x33、0x00。发送完这个命令后主设备需要等待至少 75 毫秒让传感器完成一次测量。读取状态命令0x71。用来查询传感器状态比如是否处于忙状态校准是否完成。整个采集过程的数据流是先发起始信号然后写地址 0x70再写命令 0xAC 和参数 0x33、0x00停止信号等待测量时间再发起始信号写读地址 0x71然后连续读取 6 个字节数据最后发停止信号。这 6 个字节的顺序是字节序号内容作用byte0状态字节bit7 表示忙bit3 表示校准状态byte1湿度数据高字节湿度原始值的 bit19-12byte2湿度数据中字节湿度原始值的 bit11-4byte3湿度/温度组合字节高 4 位是湿度原始值的 bit3-0低 4 位是温度原始值的 bit19-16byte4温度数据中字节温度原始值的 bit15-8byte5温度数据低字节温度原始值的 bit7-0读出来的数据不能直接用得按照公式换算湿度原始值 (byte1 12) | (byte2 4) | (byte3 4) 温度原始值 ((byte3 0x0F) 16) | (byte4 8) | byte5湿度实际值 湿度原始值 × 100 / 1048576单位 %RH 温度实际值 温度原始值 × 200 / 1048576 - 50单位 摄氏度这里的 1048576 就是 2 的 20 次方因为 AHT21B 的温度、湿度原始数据各占 20 位。2.3 基于STM32的GPIO位操作封装我用的是 STM32F103C8T6HAL 库环境。首先在 CubeMX 里把 PB6 和 PB7 都配置为普通推挽输出默认输出高电平。注意PB6、PB7 在硬件上默认可能就是 JTAG/SWD 调试口的复用引脚如果要用作普通 GPIO需要在代码里确认已经关闭了对应复用功能或者直接给这两个引脚做一次 GPIO_Init。软件模拟 IIC 的底层封装我用宏定义加内联函数的方式实现#include stm32f1xx_hal.h #define IIC_SCL_GPIO_PORT GPIOB #define IIC_SCL_GPIO_PIN GPIO_PIN_6 #define IIC_SDA_GPIO_PORT GPIOB #define IIC_SDA_GPIO_PIN GPIO_PIN_7 #define IIC_SCL_H() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) #define IIC_SCL_L() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET) #define IIC_SDA_H() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) #define IIC_SDA_L() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET) #define IIC_SDA_READ() HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) static void IIC_Delay(void) { for (volatile uint32_t i 0; i 30; i); }这里有个关键点SDA 引脚在通信过程中既要做输出又要做输入。如果只用推挽输出模式读数据的时候会直接读内部寄存器的输出值而不是外部电平这样读出来的数据肯定不对。所以在读数据前要把 SDA 临时切换成输入模式读完再切回输出模式。在 HAL 库里切换输入输出比较直接的办法是重新调用 HAL_GPIO_Initstatic void IIC_SDA_Mode_Input(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; GPIO_InitStruct.Pin IIC_SDA_GPIO_PIN; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, GPIO_InitStruct); } static void IIC_SDA_Mode_Output(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; GPIO_InitStruct.Pin IIC_SDA_GPIO_PIN; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, GPIO_InitStruct); HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET); }这里我用的是开漏输出模式这也是第二个关键点IIC 总线本身是开漏总线靠外部上拉电阻保证高电平。SDA 用开漏输出可以配合外部 4.7k 上拉电阻发送低电平时主动拉低发送高电平时释放总线让上拉电阻拉高。这样既符合 IIC 电气规范又不至于在切换输入输出时出现电平冲突。如果外部没有上拉电阻也可以用内部上拉但稳定性不如外部电阻所以硬件的上拉电阻最好别省。3. AHT21B的采集驱动代码与温湿度换算3.1 初始化流程上电等待与校准检查AHT21B 上电后不能立刻就用数据手册里有明确说明上电后要等待至少 100ms让传感器内部电路稳定。如果之前用过其他传感器你大概率会有体会有些芯片上电几十毫秒就能跑但 AHT21B 需要这个等待期否则第一次读取很可能拿到一个全是 0xFF 的数据。初始化函数里我做的第一件事是延时 100ms然后读取状态寄存器检查 bit3 的校准状态。校准位如果为 1说明传感器已经初始化好了可以直接测量如果为 0就需要发送初始化命令 0xBE参数 0x08、0x00再等待 10ms。读取状态寄存器的流程是起始信号 - 写 0x70 - 写命令 0x71 - 重启起始信号 - 写读地址 0x71 - 读一个字节 - 发 NACK - 停止信号。我把这步封装成 AHT21B_Read_Status 函数uint8_t AHT21B_Read_Status(void) { uint8_t status 0; IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); // 写地址 IIC_SendByte(0x71); // 状态命令 IIC_Start(); // 重启起始信号 IIC_SendByte(0x71); // 读地址 status IIC_RecvByte(); IIC_SendNack(); IIC_Stop(); return status; }初始化函数void AHT21B_Init(void) { HAL_Delay(100); uint8_t status AHT21B_Read_Status(); if ((status 0x08) 0) // 校准位没置1 { AHT21B_SoftReset(); // 发送0xBA软复位 HAL_Delay(20); // 发送初始化命令 IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); IIC_SendByte(0xBE); IIC_SendByte(0x08); IIC_SendByte(0x00); IIC_Stop(); HAL_Delay(10); status AHT21B_Read_Status(); if (status 0x08) { // 校准完成 } } }我在实际调试中发现这颗传感器只要上电等待够了AHT21B_Init 里基本不会进到校准分支。所以校准检查更像是一个保险。如果你的代码在传感器已经初始化过的情况下再次初始化也不会有什么副作用整个初始化流程是幂等的。3.2 触发测量与数据读取测量函数是整个驱动的核心。它做的事情分成两部分发送测量命令等待测量完成然后读取 6 个字节数据。发送测量命令的代码static void AHT21B_Send_Measure_Cmd(void) { IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); // 写地址 IIC_SendByte(0xAC); // 触发测量命令 IIC_SendByte(0x33); // 参数1 IIC_SendByte(0x00); // 参数2 IIC_Stop(); }发送完测量命令后我用两种方式判断测量是否完成。一种是直接延时 80ms这是最简单粗暴的办法数据手册给的测量时间上限是 80ms另一种是循环读取状态寄存器检查 bit7 忙状态位直到 bit7 变 0。我推荐用忙状态判断因为等待时间可以根据传感器实际速度自适应更快也更严谨。忙状态判断方式uint8_t AHT21B_Is_Busy(void) { uint8_t status AHT21B_Read_Status(); return (status 0x80) ? 1 : 0; } void AHT21B_Wait_Until_Free(void) { uint32_t timeout 0; while (AHT21B_Is_Busy()) { HAL_Delay(10); if (timeout 50) // 最多等500ms { break; } } }等传感器空闲后读取 6 字节数据的完整代码如下uint8_t AHT21B_Read_Data(uint32_t *humi_raw, uint32_t *temp_raw) { uint8_t data[6] {0}; IIC_Start(); IIC_SendByte(0x71); // 读地址 data[0] IIC_RecvByte(); // 状态字节 IIC_SendAck(); data[1] IIC_RecvByte(); // 湿度高字节 IIC_SendAck(); data[2] IIC_RecvByte(); // 湿度中字节 IIC_SendAck(); data[3] IIC_RecvByte(); // 湿度低4位温度高4位 IIC_SendAck(); data[4] IIC_RecvByte(); // 温度中字节 IIC_SendAck(); data[5] IIC_RecvByte(); // 温度低字节 IIC_SendNack(); IIC_Stop(); // 检查状态忙位 if (data[0] 0x80) { return 1; // 传感器忙 } // 拼接20位原始数据 *humi_raw ((uint32_t)data[1] 12) | ((uint32_t)data[2] 4) | ((data[3] 4) 0x0F); *temp_raw (((uint32_t)data[3] 0x0F) 16) | ((uint32_t)data[4] 8) | data[5]; return 0; }3.3 原始数据解析与温湿度换算拿到 20 位原始数据之后下一步就是换算。这里需要注意两点一是别把原始数据当成有符号数它在公式里是无符号数二是换算结果要用浮点数和整数结合的方式避免精度损失。换算代码void AHT21B_Calc(float *temperature, float *humidity, uint32_t humi_raw, uint32_t temp_raw) { *humidity (float)humi_raw * 100.0f / 1048576.0f; *temperature (float)temp_raw * 200.0f / 1048576.0f - 50.0f; }为了在主程序里使用方便我把测量和换算封装成一次性调用uint8_t AHT21B_Get_Temp_Humi(float *temp, float *humi) { uint32_t humi_raw 0; uint32_t temp_raw 0; AHT21B_Send_Measure_Cmd(); AHT21B_Wait_Until_Free(); if (AHT21B_Read_Data(humi_raw, temp_raw) ! 0) { return 1; } AHT21B_Calc(temp, humi, humi_raw, temp_raw); return 0; }我把这套代码跑在 72MHz 主频下从发送测量命令到拿到最终温湿度实测大概 90ms 左右其中等待 80ms 占了绝大部分时间。所以如果主循环里每 100ms 调用一次是可行的但超过 200ms 调用一次更稳定避免传感器在上一次测量没有完成时又被触发。AHT21B 的手册也提到测量周期不要小于 2 秒不对这里我需要更正一下AHT21B 的典型转换时间是 80ms并没有 2 秒的限制2 秒是某些模块在低功耗模式下的建议实际应用里 100ms 到 1000ms 的间隔都没问题。4. 联调记录与常见问题排查4.1 加上串口打印直接看读数驱动写完最直观的验证方式是串口打印。我用 USART1波特率 115200PA9 做 TXPA10 做 RX把温湿度数值打印出来int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); AHT21B_Init(); printf(AHT21B test start\r\n); while (1) { float temp 0, humi 0; if (AHT21B_Get_Temp_Humi(temp, humi) 0) { printf(Temperature: %.2f C, Humidity: %.2f %%RH\r\n, temp, humi); } else { printf(Read failed\r\n); } HAL_Delay(1000); } }注意 printf 的重定向。用 HAL 库时需要在 main.c 里加一个 fputc 函数把 printf 输出重定向到串口。标准做法是int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(huart1, (uint8_t *)ch, 1, 0xFFFF); return ch; }然后 Keil 里勾选微库 MicroLIB这样 printf 才不会因为资源问题跑飞。我之前有次烧录后串口只输出乱码排查半天发现是波特率配置不对换回 115200 后立刻正常。实测读数温度 26.35 摄氏度湿度 48.21%RH。打开加湿器后湿度能快速爬升到 60% 以上说明传感器响应很灵敏。4.2 读不到设备或读到状态字节为0xFF的排查流程我在调试过程中遇到过两次“读不到设备”的情况一次是硬件没焊好另一次是时序太快。如果是全新焊接的板子第一步永远是量电平。用万用表量 SDA 和 SCL 的空闲电平两个引脚都应该是高电平一般是 3.3V 左右。如果 SDA 被拉低了说明某个器件占用了总线或者某个引脚配置成了输出低电平很容易排查。如果 SDA 高、SCL 低那可能是 SCL 引脚没配置成输出模式或者配置成了输入模式要从 CubeMX 的引脚配置里再确认一遍。如果电平正常读数依然失败就要用示波器或者逻辑分析仪抓波形。没有这些工具也可以靠单步调试来看 GPIO 翻转在 IIC_Start 之前和之后分别给一个临时 LED 翻转确认代码是否执行到了正确位置。还有一个常见坑是外部上拉电阻。AHT21B 的 SDA 和 SCL 如果只靠 STM32 内部上拉不建议这样做。因为我前面提到软件模拟 IIC 模式切换比较频繁内部上拉的阻值很大灌电流能力弱SDA 上升沿会变得很缓可能超过传感器要求的时序范围。加上 4.7k 或者 10k 的外部上拉到 3.3V上升沿就干净利落了。4.3 数据跳动异常时钟噪声与电源干扰传感器读回来的数值偶尔会跳一下比正常值高出几度或者湿度突然跳了 5%这种问题多半出在电源和布线上。AHT21B 的 VDD 引脚上最好放一个 100nF 的陶瓷电容紧贴着芯片的电源引脚。如果模块上已经自带了那问题可能出在 VDD 上的纹波或者 IIC 线过长导致的串扰。我遇到过一种情况电机转动时温湿度数值会周期性跳动。查了半天发现是电机驱动回路的地线和传感器共用了电机大电流导致地电位浮动影响了传感器供电。解决办法是把传感器供电和电机驱动地分开采用星型接地并且在 SDA 和 SCL 线上串联了 33Ω 的电阻抑制振铃数据就稳定多了。另外如果是使用了软件模拟 IIC 却仍然出现数据偶尔不对的情况多半是两次通信之间时间太短传感器还没完成一次测量的完整内部流程。建议每次测量之间间隔至少 100ms如果有条件200ms 更稳。我在驱动里加了一个简单的节流逻辑保证相邻两次测量命令之间不少于 100ms实测连续跑 24 小时没出过一条坏数据。4.4 软件模拟IIC的综合避坑心得最后把我在这个项目里踩过的坑、试过的方案整理成一张表方便大家直接对照问题现象可能原因解决方案状态字节一直 0xFFSDA 或 SCL 电平不满足 IIC 空闲电平检查上拉电阻、GPIO 模式、接线数据偶尔变成 0x00等待时间不够/忙状态判断超时把等待超时加长到 500ms温湿度跳变幅度大电源纹波/地线噪声加 100nF 电容星型接地读出来的温湿度差很多换算公式用错/位拼接错位核对 20 位拼接顺序传感器一直忙上一次测量没完成又发新命令测量间隔加长至少 100ms换了一块板子上不了 IIC引脚烧毁或复用冲突确认寄存器配置别用 JTAG/SWD 冲突脚软件模拟 IIC 最怕的就是“想当然”。我一开始也图省事直接把网络上别人的 AHT21 驱动代码拷过来结果那个代码是针对硬件 I2C 的软件模拟完全跑不通。后来老老实实把 IIC 时序从头到尾捋了一遍才发现问题出在“SDA 读数据前没有切换成输入模式”这种细节上。从实用性角度看软件模拟 IIC 不仅是凑合方案它在某些场景下比硬件 I2C 更好用引脚自由、时序可调、代码完全可控。只要你愿意花一点时间把底层时序吃透以后不管是 AHT21B、BMP280、MPU6050 还是 SSD1306 OLED只要是 IIC 接口的都能用同一套软件模拟框架来驱动。这个项目做完之后我又把同一套软件 IIC 驱动用在了后续一个接了三颗 IIC 传感器的板子上直接把每一路的 GPIO 封装成独立的 IIC 句柄代码复用到顺滑。如果各位手头正在为引脚冲突发愁不妨试试软件模拟的办法别怕多写几十行代码这几十行代码换来的是你对 IIC 协议彻底的理解和掌控。
前阵子有个做环境监控的活儿需要在一款基于 STM32 的主控板上加一路温湿度采集传感器选来选去最后定了 AHT21B。这个芯片精度不错成本也低通信接口是 IIC。不过实际用的时候板子上的两个硬件 I2C 外设一个被 LED 驱动占了另一个要留给后续的 OLED 屏手上又没有多余的空闲 I2C干脆就用 GPIO 软件模拟了一路 IIC把这颗 AHT21B 给跑起来了。整个过程走下来从时序到驱动从调试到读数坑和收获都不少今天整理出来给和我一样被“外设不够、GPIO 来凑”困扰的朋友做个参考。这套方案其实很典型STM32 的 GPIO 资源丰富软件模拟 IIC 不受引脚复用限制想用哪个脚就用哪个脚而且和硬件 I2C 比时序完全自己控制遇到波形问题排查起来也更直观。文章里我会把 AHT21B 的命令帧、模拟时序的构建方法、驱动的完整写法以及读取温湿度后到底怎么换算成真实的温度和湿度百分比都一步步展开。适合正在学 STM32 裸机开发的初学者也适合项目里碰到 I2C 冲突、想快速腾出一路接口的工程师。1. AHT21B传感器与软件模拟IIC的选型逻辑1.1 AHT21B到底是一颗什么样的传感器AHT21B 是奥松电子推出的温湿度传感器体积很小典型封装是 DFN焊盘间距只有 1mm 左右手工焊接稍微费点劲但用加热台或者风枪还是能处理。它的湿度测量范围是 0 到 100% RH温度范围是 -40 到 85 摄氏度精度方面湿度典型误差在正负 2% RH温度典型误差正负 0.2 摄氏度这个精度在环境监控、家电控制、农业大棚这类场景里完全够用。它工作的核心机制是电容式湿度感应原理传感器内部集成了调理电路和 ADC直接把温度、湿度模拟量转换成数字量然后通过 IIC 接口输出。和早期常用的 DHT11、DHT22 这类单总线传感器相比AHT21B 的优点是数据帧格式更规范没有 DHT11 那种容易受时序影响的位操作分辨率高温度和湿度各占 20 位实测读数稳定很多功耗很低测量模式下电流不到 1mA适合电池供电的设备IIC 地址固定是 0x38不用跳线配置多设备组网也方便。我之所以在 DHT11、SHT30、AHT21B 之间选了它主要看重的是性价比和供货稳定。SHT30 也很好但价格略高DHT11 又太老精度不够看。AHT21B 属于中间档位几块钱一颗性能满足大多数场景。1.2 为什么不用硬件I2C要费劲去软件模拟很多人看到这里会问STM32 不是自带 I2C 硬件外设吗直接用 I2C1、I2C2 不就行了理论上确实可以但实际项目里会遇到几个问题。第一引脚冲突。STM32 的硬件 I2C 引脚是固定的比如 F103 系列I2C1 只能复用 PB6/PB7I2C2 只能复用 PB10/PB11。如果这些引脚已经被别的功能占了比如接了按键、串口、PWM 输出那就很尴尬。我的板子上 PB6/PB7 正好接了 LED 驱动芯片PB10/PB11 预留给了后续扩展口硬件 I2C 根本就没法用。第二硬件 I2C 的调试成本并不低。STM32 标准库或者 HAL 库的硬件 I2C在 F1 上出了名的“脾气怪”尤其 CubeMX 自动生成的代码如果没做超时处理读数据时从机不响应很容易卡死在 while 循环里。软件模拟 IIC 则完全可控时钟输出、数据采样、等待时长全程自己说了算出问题也知道从哪里下手。第三引脚可重定义。软件模拟 IIC 的好处就是“百搭”你选任意两个 GPIO一个做 SCL一个做 SDA只要电平特性满足 IIC 协议要求就行。PCB 布线到哪个脚方便就用哪个脚特别灵活。对多传感器项目来说如果你后续想再接一个传感器软件模拟可以随时加一路成本只是一些 GPIO 和代码量。所以我的选型结论是如果硬件 I2C 引脚刚好空闲用硬件外设当然没问题但如果引脚冲突、代码已经基于 GPIO 框架那软件模拟 IIC 反而更省心。我这个项目就是典型的“硬件资源不够软件方案来凑”实测下来稳定性也非常好。2. 软件模拟IIC时序基础与GPIO实现2.1 IIC总线时序的四个基础动作IIC 协议本身并不神秘它是一条时钟线 SCL 加一条数据线 SDA所有通信都由主设备发起AHT21B 作为从设备只响应。要让软件模拟出一次标准的 IIC 通信你只需要掌握四个动作起始信号、停止信号、发送数据、接收数据。起始信号STARTSCL 保持高电平SDA 从高电平跳变到低电平。从设备看到这个跳变就知道主设备要开始通信了。 停止信号STOPSCL 保持高电平SDA 从低电平跳变到高电平。从设备收到这个信号就知道通信结束可以释放总线了。 发送数据每位数据的有效窗口在 SCL 高电平期间SDA 在这个时间段必须保持稳定SCL 低电平期间允许 SDA 变化。数据是高位先发的先发 bit7再发 bit6依次到最后一位。 接收数据同样在 SCL 高电平期间读取 SDA 的电平主设备读完 8 位数据后需要根据需求拉低 SDA 产生一个 ACK 应答信号表示“我收到数据了”如果是最后一个字节则不发 ACK 而是发一个 NACK。这四个动作说起来简单写代码的时候有讲究。尤其是时序的延时长度IIC 协议规定标准模式 100kbps 时SCL 高电平最小时间 4 微秒低电平最小时间 4.7 微秒快速模式 400kbps 时高电平和低电平各要 0.6 微秒左右。STM32 主频通常 72MHzGPIO 翻转一次就几纳秒的事所以软件模拟反而容易“太快”某些传感器可能跟不上。AHT21B 对时序宽容度一般稳妥起见我会在每个电平翻转后加 3 到 5 微秒的延时。2.2 AHT21B的命令帧与数据帧格式AHT21B 的 IIC 从机地址是 0x387 位地址。实际操作时写操作用的地址字节是 0x38 左移一位即 0x70读操作地址字节是 0x38 左移一位再加 1即 0x71。AHT21B 有几个关键命令软复位命令0xBA。传感器上电后如果状态异常可以发送这个命令复位。初始化命令0xBE。带两个参数 0x08、0x00用于开启传感器内部功能。不过这个命令不是每次都需要很多例程在正常使用前并不发送实测发现只要上电等待时间够直接测也没问题。触发测量命令0xAC。带两个参数 0x33、0x00。发送完这个命令后主设备需要等待至少 75 毫秒让传感器完成一次测量。读取状态命令0x71。用来查询传感器状态比如是否处于忙状态校准是否完成。整个采集过程的数据流是先发起始信号然后写地址 0x70再写命令 0xAC 和参数 0x33、0x00停止信号等待测量时间再发起始信号写读地址 0x71然后连续读取 6 个字节数据最后发停止信号。这 6 个字节的顺序是字节序号内容作用byte0状态字节bit7 表示忙bit3 表示校准状态byte1湿度数据高字节湿度原始值的 bit19-12byte2湿度数据中字节湿度原始值的 bit11-4byte3湿度/温度组合字节高 4 位是湿度原始值的 bit3-0低 4 位是温度原始值的 bit19-16byte4温度数据中字节温度原始值的 bit15-8byte5温度数据低字节温度原始值的 bit7-0读出来的数据不能直接用得按照公式换算湿度原始值 (byte1 12) | (byte2 4) | (byte3 4) 温度原始值 ((byte3 0x0F) 16) | (byte4 8) | byte5湿度实际值 湿度原始值 × 100 / 1048576单位 %RH 温度实际值 温度原始值 × 200 / 1048576 - 50单位 摄氏度这里的 1048576 就是 2 的 20 次方因为 AHT21B 的温度、湿度原始数据各占 20 位。2.3 基于STM32的GPIO位操作封装我用的是 STM32F103C8T6HAL 库环境。首先在 CubeMX 里把 PB6 和 PB7 都配置为普通推挽输出默认输出高电平。注意PB6、PB7 在硬件上默认可能就是 JTAG/SWD 调试口的复用引脚如果要用作普通 GPIO需要在代码里确认已经关闭了对应复用功能或者直接给这两个引脚做一次 GPIO_Init。软件模拟 IIC 的底层封装我用宏定义加内联函数的方式实现#include stm32f1xx_hal.h #define IIC_SCL_GPIO_PORT GPIOB #define IIC_SCL_GPIO_PIN GPIO_PIN_6 #define IIC_SDA_GPIO_PORT GPIOB #define IIC_SDA_GPIO_PIN GPIO_PIN_7 #define IIC_SCL_H() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) #define IIC_SCL_L() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET) #define IIC_SDA_H() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) #define IIC_SDA_L() HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET) #define IIC_SDA_READ() HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) static void IIC_Delay(void) { for (volatile uint32_t i 0; i 30; i); }这里有个关键点SDA 引脚在通信过程中既要做输出又要做输入。如果只用推挽输出模式读数据的时候会直接读内部寄存器的输出值而不是外部电平这样读出来的数据肯定不对。所以在读数据前要把 SDA 临时切换成输入模式读完再切回输出模式。在 HAL 库里切换输入输出比较直接的办法是重新调用 HAL_GPIO_Initstatic void IIC_SDA_Mode_Input(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; GPIO_InitStruct.Pin IIC_SDA_GPIO_PIN; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, GPIO_InitStruct); } static void IIC_SDA_Mode_Output(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; GPIO_InitStruct.Pin IIC_SDA_GPIO_PIN; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, GPIO_InitStruct); HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET); }这里我用的是开漏输出模式这也是第二个关键点IIC 总线本身是开漏总线靠外部上拉电阻保证高电平。SDA 用开漏输出可以配合外部 4.7k 上拉电阻发送低电平时主动拉低发送高电平时释放总线让上拉电阻拉高。这样既符合 IIC 电气规范又不至于在切换输入输出时出现电平冲突。如果外部没有上拉电阻也可以用内部上拉但稳定性不如外部电阻所以硬件的上拉电阻最好别省。3. AHT21B的采集驱动代码与温湿度换算3.1 初始化流程上电等待与校准检查AHT21B 上电后不能立刻就用数据手册里有明确说明上电后要等待至少 100ms让传感器内部电路稳定。如果之前用过其他传感器你大概率会有体会有些芯片上电几十毫秒就能跑但 AHT21B 需要这个等待期否则第一次读取很可能拿到一个全是 0xFF 的数据。初始化函数里我做的第一件事是延时 100ms然后读取状态寄存器检查 bit3 的校准状态。校准位如果为 1说明传感器已经初始化好了可以直接测量如果为 0就需要发送初始化命令 0xBE参数 0x08、0x00再等待 10ms。读取状态寄存器的流程是起始信号 - 写 0x70 - 写命令 0x71 - 重启起始信号 - 写读地址 0x71 - 读一个字节 - 发 NACK - 停止信号。我把这步封装成 AHT21B_Read_Status 函数uint8_t AHT21B_Read_Status(void) { uint8_t status 0; IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); // 写地址 IIC_SendByte(0x71); // 状态命令 IIC_Start(); // 重启起始信号 IIC_SendByte(0x71); // 读地址 status IIC_RecvByte(); IIC_SendNack(); IIC_Stop(); return status; }初始化函数void AHT21B_Init(void) { HAL_Delay(100); uint8_t status AHT21B_Read_Status(); if ((status 0x08) 0) // 校准位没置1 { AHT21B_SoftReset(); // 发送0xBA软复位 HAL_Delay(20); // 发送初始化命令 IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); IIC_SendByte(0xBE); IIC_SendByte(0x08); IIC_SendByte(0x00); IIC_Stop(); HAL_Delay(10); status AHT21B_Read_Status(); if (status 0x08) { // 校准完成 } } }我在实际调试中发现这颗传感器只要上电等待够了AHT21B_Init 里基本不会进到校准分支。所以校准检查更像是一个保险。如果你的代码在传感器已经初始化过的情况下再次初始化也不会有什么副作用整个初始化流程是幂等的。3.2 触发测量与数据读取测量函数是整个驱动的核心。它做的事情分成两部分发送测量命令等待测量完成然后读取 6 个字节数据。发送测量命令的代码static void AHT21B_Send_Measure_Cmd(void) { IIC_Start(); IIC_SendByte(0x70); // 写地址 IIC_SendByte(0xAC); // 触发测量命令 IIC_SendByte(0x33); // 参数1 IIC_SendByte(0x00); // 参数2 IIC_Stop(); }发送完测量命令后我用两种方式判断测量是否完成。一种是直接延时 80ms这是最简单粗暴的办法数据手册给的测量时间上限是 80ms另一种是循环读取状态寄存器检查 bit7 忙状态位直到 bit7 变 0。我推荐用忙状态判断因为等待时间可以根据传感器实际速度自适应更快也更严谨。忙状态判断方式uint8_t AHT21B_Is_Busy(void) { uint8_t status AHT21B_Read_Status(); return (status 0x80) ? 1 : 0; } void AHT21B_Wait_Until_Free(void) { uint32_t timeout 0; while (AHT21B_Is_Busy()) { HAL_Delay(10); if (timeout 50) // 最多等500ms { break; } } }等传感器空闲后读取 6 字节数据的完整代码如下uint8_t AHT21B_Read_Data(uint32_t *humi_raw, uint32_t *temp_raw) { uint8_t data[6] {0}; IIC_Start(); IIC_SendByte(0x71); // 读地址 data[0] IIC_RecvByte(); // 状态字节 IIC_SendAck(); data[1] IIC_RecvByte(); // 湿度高字节 IIC_SendAck(); data[2] IIC_RecvByte(); // 湿度中字节 IIC_SendAck(); data[3] IIC_RecvByte(); // 湿度低4位温度高4位 IIC_SendAck(); data[4] IIC_RecvByte(); // 温度中字节 IIC_SendAck(); data[5] IIC_RecvByte(); // 温度低字节 IIC_SendNack(); IIC_Stop(); // 检查状态忙位 if (data[0] 0x80) { return 1; // 传感器忙 } // 拼接20位原始数据 *humi_raw ((uint32_t)data[1] 12) | ((uint32_t)data[2] 4) | ((data[3] 4) 0x0F); *temp_raw (((uint32_t)data[3] 0x0F) 16) | ((uint32_t)data[4] 8) | data[5]; return 0; }3.3 原始数据解析与温湿度换算拿到 20 位原始数据之后下一步就是换算。这里需要注意两点一是别把原始数据当成有符号数它在公式里是无符号数二是换算结果要用浮点数和整数结合的方式避免精度损失。换算代码void AHT21B_Calc(float *temperature, float *humidity, uint32_t humi_raw, uint32_t temp_raw) { *humidity (float)humi_raw * 100.0f / 1048576.0f; *temperature (float)temp_raw * 200.0f / 1048576.0f - 50.0f; }为了在主程序里使用方便我把测量和换算封装成一次性调用uint8_t AHT21B_Get_Temp_Humi(float *temp, float *humi) { uint32_t humi_raw 0; uint32_t temp_raw 0; AHT21B_Send_Measure_Cmd(); AHT21B_Wait_Until_Free(); if (AHT21B_Read_Data(humi_raw, temp_raw) ! 0) { return 1; } AHT21B_Calc(temp, humi, humi_raw, temp_raw); return 0; }我把这套代码跑在 72MHz 主频下从发送测量命令到拿到最终温湿度实测大概 90ms 左右其中等待 80ms 占了绝大部分时间。所以如果主循环里每 100ms 调用一次是可行的但超过 200ms 调用一次更稳定避免传感器在上一次测量没有完成时又被触发。AHT21B 的手册也提到测量周期不要小于 2 秒不对这里我需要更正一下AHT21B 的典型转换时间是 80ms并没有 2 秒的限制2 秒是某些模块在低功耗模式下的建议实际应用里 100ms 到 1000ms 的间隔都没问题。4. 联调记录与常见问题排查4.1 加上串口打印直接看读数驱动写完最直观的验证方式是串口打印。我用 USART1波特率 115200PA9 做 TXPA10 做 RX把温湿度数值打印出来int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); AHT21B_Init(); printf(AHT21B test start\r\n); while (1) { float temp 0, humi 0; if (AHT21B_Get_Temp_Humi(temp, humi) 0) { printf(Temperature: %.2f C, Humidity: %.2f %%RH\r\n, temp, humi); } else { printf(Read failed\r\n); } HAL_Delay(1000); } }注意 printf 的重定向。用 HAL 库时需要在 main.c 里加一个 fputc 函数把 printf 输出重定向到串口。标准做法是int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(huart1, (uint8_t *)ch, 1, 0xFFFF); return ch; }然后 Keil 里勾选微库 MicroLIB这样 printf 才不会因为资源问题跑飞。我之前有次烧录后串口只输出乱码排查半天发现是波特率配置不对换回 115200 后立刻正常。实测读数温度 26.35 摄氏度湿度 48.21%RH。打开加湿器后湿度能快速爬升到 60% 以上说明传感器响应很灵敏。4.2 读不到设备或读到状态字节为0xFF的排查流程我在调试过程中遇到过两次“读不到设备”的情况一次是硬件没焊好另一次是时序太快。如果是全新焊接的板子第一步永远是量电平。用万用表量 SDA 和 SCL 的空闲电平两个引脚都应该是高电平一般是 3.3V 左右。如果 SDA 被拉低了说明某个器件占用了总线或者某个引脚配置成了输出低电平很容易排查。如果 SDA 高、SCL 低那可能是 SCL 引脚没配置成输出模式或者配置成了输入模式要从 CubeMX 的引脚配置里再确认一遍。如果电平正常读数依然失败就要用示波器或者逻辑分析仪抓波形。没有这些工具也可以靠单步调试来看 GPIO 翻转在 IIC_Start 之前和之后分别给一个临时 LED 翻转确认代码是否执行到了正确位置。还有一个常见坑是外部上拉电阻。AHT21B 的 SDA 和 SCL 如果只靠 STM32 内部上拉不建议这样做。因为我前面提到软件模拟 IIC 模式切换比较频繁内部上拉的阻值很大灌电流能力弱SDA 上升沿会变得很缓可能超过传感器要求的时序范围。加上 4.7k 或者 10k 的外部上拉到 3.3V上升沿就干净利落了。4.3 数据跳动异常时钟噪声与电源干扰传感器读回来的数值偶尔会跳一下比正常值高出几度或者湿度突然跳了 5%这种问题多半出在电源和布线上。AHT21B 的 VDD 引脚上最好放一个 100nF 的陶瓷电容紧贴着芯片的电源引脚。如果模块上已经自带了那问题可能出在 VDD 上的纹波或者 IIC 线过长导致的串扰。我遇到过一种情况电机转动时温湿度数值会周期性跳动。查了半天发现是电机驱动回路的地线和传感器共用了电机大电流导致地电位浮动影响了传感器供电。解决办法是把传感器供电和电机驱动地分开采用星型接地并且在 SDA 和 SCL 线上串联了 33Ω 的电阻抑制振铃数据就稳定多了。另外如果是使用了软件模拟 IIC 却仍然出现数据偶尔不对的情况多半是两次通信之间时间太短传感器还没完成一次测量的完整内部流程。建议每次测量之间间隔至少 100ms如果有条件200ms 更稳。我在驱动里加了一个简单的节流逻辑保证相邻两次测量命令之间不少于 100ms实测连续跑 24 小时没出过一条坏数据。4.4 软件模拟IIC的综合避坑心得最后把我在这个项目里踩过的坑、试过的方案整理成一张表方便大家直接对照问题现象可能原因解决方案状态字节一直 0xFFSDA 或 SCL 电平不满足 IIC 空闲电平检查上拉电阻、GPIO 模式、接线数据偶尔变成 0x00等待时间不够/忙状态判断超时把等待超时加长到 500ms温湿度跳变幅度大电源纹波/地线噪声加 100nF 电容星型接地读出来的温湿度差很多换算公式用错/位拼接错位核对 20 位拼接顺序传感器一直忙上一次测量没完成又发新命令测量间隔加长至少 100ms换了一块板子上不了 IIC引脚烧毁或复用冲突确认寄存器配置别用 JTAG/SWD 冲突脚软件模拟 IIC 最怕的就是“想当然”。我一开始也图省事直接把网络上别人的 AHT21 驱动代码拷过来结果那个代码是针对硬件 I2C 的软件模拟完全跑不通。后来老老实实把 IIC 时序从头到尾捋了一遍才发现问题出在“SDA 读数据前没有切换成输入模式”这种细节上。从实用性角度看软件模拟 IIC 不仅是凑合方案它在某些场景下比硬件 I2C 更好用引脚自由、时序可调、代码完全可控。只要你愿意花一点时间把底层时序吃透以后不管是 AHT21B、BMP280、MPU6050 还是 SSD1306 OLED只要是 IIC 接口的都能用同一套软件模拟框架来驱动。这个项目做完之后我又把同一套软件 IIC 驱动用在了后续一个接了三颗 IIC 传感器的板子上直接把每一路的 GPIO 封装成独立的 IIC 句柄代码复用到顺滑。如果各位手头正在为引脚冲突发愁不妨试试软件模拟的办法别怕多写几十行代码这几十行代码换来的是你对 IIC 协议彻底的理解和掌控。
