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[单片机芯片] CH32V307使用GPIO模拟I2C驱动TVOC、CO2eq传感器SGP30

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 楼主| dql2015 发表于 2022-12-19 10:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
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GPIO, I2c, IO, IO模拟, gp
本帖最后由 dql2015 于 2022-12-19 11:38 编辑

#申请原创#  
@21小跑堂
近年来，清洁的空气成为诸多重视健康生活人士的新需求。常见重要的空气质量指标有2种：
二氧化碳：
二氧化碳是一种微量气体。我们吸入氧气并呼出二氧化碳，因此在封闭空间中，二氧化碳浓度与人类活动和人口密度相关。高浓度的二氧化碳可能会导致头痛、困倦、精神萎靡和表现不佳。
VOC（挥发性有机化合物）：
VOC 是在室温或更高温度下蒸发的含碳物质。短期接触会导致刺激、头晕或哮喘恶化；长期接触则可能会导致肺癌或损害肝脏或神经系统。
手头正好有一款seeed的空气质量传感器模块SGP30，SGP30是TVOC（总挥发性有机化合物）、CO2eq气体传感器，是一款数字多气体传感器，可轻松集成到空气净化器、指令控制通风和物联网应用中。 该传感器的的CMOSens®技术在单个芯片上提供完整的传感器系统，并带有I2C接口、温度控制的微型加热板和两个预处理的室内空气质量信号。
测量结果输出频率1Hz，TVOC输出范围0 ppb to 60000 ppb，CO2eq输出范围400 ppm to 60000 ppm，不通输出范围精度不同；
001.JPG

硬件接口
SGP30使用的是I2C接口：
22.JPG
供电、接口电平为1.8V，因此硬件设计上需要注意电平匹配：
000000.JPG
硬件设计SCL、SDA上应增加上拉电阻（或者使用控制器管脚内部上拉电阻）：
33.JPG
支持快速模式400KHz：
11.JPG
需要注意SDA valid time不超过0.9us：
002.JPG
设备地址
SGP30 I2C使用7bit从机地址0X58，最低位为读写控制位，0是读，1是写：
44.JPG
写地址为(0X58 << 1) = 0XB0
读为((0X58 << 1)) | 0X01 = 0XB1

控制命令
SGP30的命令都是双字节16bit的：
55.JPG
通信采用一问一答形式，主机发出命令，等待从机回复：
00.JPG
双字节命令先发高位MSB，后发低位LSB，以初始化SGP30命令(0X2003)为例，发送顺序为：0X20、0X03
88-1.JPG
测量命令
读取测量结果命令采用标准I2C形式，读写相关寄存器：
For the first 15s after the “Init_air_quality” command the sensor is in an initialization phase during which a “Measure_air_quality” command returns fixed values of
400 ppm CO2eq and 0 ppb TVOC.
需要特别注意这段话，SGP30上电后在发送初始化命令后，需要大约15秒完成初始化，在初始化过程读取的CO2浓度为400ppm，TVOC为0ppd且恒定不变。



88-2.JPG

88-3.JPG

88-4.JPG

88-5.JPG

软件复位
可以通过地址0x0006控制SGP30进行软复位：
77-1.JPG
77-2.JPG
读取序列号
SGP30内置48bit唯一序列号，通过0x3682地址读出：
66.JPG
CRC校验
数据校验采用8bit CRC和校验方式：
99.JPG
sgp30.h文件
复制
  1. #ifndef _SGP30_H_
    

  2. #define _SGP30_H_
    


  3. 

  4. #include <stdio.h>
    

  5. #include <stdint.h>
    


  6. 


  7. 

  8. #define SGP30_ADDR          0x58
    

  9. #define        SGP30_ADDR_WRITE        (SGP30_ADDR << 1)         //0xb0
    

  10. #define        SGP30_ADDR_READ                ((SGP30_ADDR << 1) + 1)   //0xb1
    


  11. 


  12. 

  13. /* 初始化空气质量测量 */
    

  14. #define SGP30_CMD_INIT_AIR_QUALITY 0x2003
    


  15. 

  16. /* 开始空气质量测量 */
    

  17. #define SGP30_CMD_MEASURE_AIR_QUALITY 0x2008
    


  18. 

  19. /* 获取串号 */
    

  20. #define SGP30_CMD_GET_SERIAL_ID  0X3682
    


  21. 

  22. int sgp30_init(void);
    

  23. int sgp30_read(uint16_t* CO2, uint16_t* TVOC);
    

  24. int sgp30_get_serial_id(uint8_t id[6]);
    

  25. int sgp30_soft_reset(void);
    


  26. 

  27. #endif /* _SGP30_H_ */

sgp30.c文件
复制
  1. #include "sgp30.h"
    

  2. #include "debug.h"
    

  3. #include "myiic.h"
    


  4. 


  5. 

  6. #define RCC_CLK_PORT RCC_APB2Periph_GPIOA
    


  7. 

  8. #define SCL_PORT GPIOA
    

  9. #define SCL_PIN GPIO_Pin_4
    


  10. 

  11. #define SDA_PORT GPIOA
    

  12. #define SDA_PIN GPIO_Pin_5
    


  13. 

  14. #define IIC_SCL_H() GPIO_WriteBit(SCL_PORT,SCL_PIN,1)
    

  15. #define IIC_SCL_L() GPIO_WriteBit(SCL_PORT,SCL_PIN,0)
    


  16. 

  17. #define IIC_SDA_H() GPIO_WriteBit(SDA_PORT,SDA_PIN,1)
    

  18. #define IIC_SDA_L() GPIO_WriteBit(SDA_PORT,SDA_PIN,0)
    


  19. 

  20. #define READ_SDA() GPIO_ReadInputDataBit(SDA_PORT,SDA_PIN)
    


  21. 


  22. 

  23. #define SGP30_SDA_Pin                      SDA_PIN
    

  24. #define SGP30_SDA_GPIO_Port                SDA_PORT
    


  25. 

  26. #define SGP30_SCK_Pin                      SCL_PIN
    

  27. #define SGP30_SCK_GPIO_Port                SCL_PORT
    


  28. 


  29. 

  30. #define SGP30_SCK_L()    IIC_SCL_L()
    

  31. #define SGP30_SCK_H()    IIC_SCL_H()
    

  32. #define SGP30_SDA_L()    IIC_SDA_L()
    

  33. #define SGP30_SDA_H()    IIC_SDA_H()
    

  34. #define SGP30_READ_SDA() (READ_SDA() == Bit_SET ? 1 : 0)
    


  35. 

  36. /// 设置SDA引脚为输出模式
    

  37. static void SDA_SET_OUT()
    

  38. {
    

  39.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
    

  40.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_CLK_PORT, ENABLE);
    


  41. 

  42.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_PIN;//sda
    

  43.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    

  44.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  45.     GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
    

  46.     IIC_SDA_L();//必要的
    

  47. }
    


  48. 

  49. /// 设置SDA引脚为输入模式
    

  50. static void SDA_SET_IN()
    

  51. {
    

  52.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
    

  53.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_CLK_PORT, ENABLE);
    


  54. 

  55.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_PIN;//sda
    

  56.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    

  57.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  58.     GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
    

  59. }
    


  60. 

  61. /// 微秒延时函数
    

  62. static void sgp30_delay_us(uint32_t us)
    

  63. {
    

  64.     Delay_Us(us);
    

  65. }
    


  66. 

  67. /// 毫秒延时函数
    

  68. static void sgp30_delay_ms(uint32_t nms)
    

  69. {
    

  70.         Delay_Ms(nms);
    

  71. }
    


  72. 

  73. /// 初始化SGP30的IIC引脚
    

  74. static int sgp30_iic_init(void)
    

  75. {
    

  76.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
    


  77. 

  78.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_CLK_PORT, ENABLE);
    


  79. 

  80.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SCL_PIN;
    

  81.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//scl
    

  82.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  83.     GPIO_Init(SCL_PORT, &GPIO_InitStructure);
    


  84. 

  85.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_PIN;//sda
    

  86.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    

  87.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  88.     GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
    


  89. 

  90.     //必要的
    

  91.         SGP30_SCK_H();  // 拉高时钟引脚
    

  92.         SGP30_SDA_H();  // 拉高数据引脚
    

  93.         return 0;
    

  94. }
    


  95. 

  96. /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    

  97. ///
    

  98. ///                               模拟IIC协议实现
    

  99. ///
    

  100. /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    


  101. 

  102. static void IIC_Start(void)
    

  103. {
    

  104.     SDA_SET_OUT();
    

  105.     SGP30_SDA_H();
    

  106.     SGP30_SCK_H();
    

  107.     sgp30_delay_us(5);
    

  108.     SGP30_SDA_L(); //START:when CLK is high,DATA change form high to low
    

  109.     sgp30_delay_us(6);
    

  110.     SGP30_SCK_L();
    

  111. }
    


  112. 

  113. static void IIC_Stop(void)
    

  114. {
    

  115.     SDA_SET_OUT();
    

  116.     SGP30_SCK_L();
    

  117.     SGP30_SDA_L(); //STOP:when CLK is high DATA change form low to high
    

  118.     SGP30_SCK_H();
    

  119.     sgp30_delay_us(6);
    

  120.     SGP30_SDA_H();
    

  121.     sgp30_delay_us(6);
    

  122. }
    


  123. 

  124. static uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
    

  125. {
    

  126.     uint8_t tempTime = 0;
    

  127.     SGP30_SDA_H();
    

  128.     sgp30_delay_us(1);
    

  129.     SDA_SET_IN();
    

  130.     SGP30_SCK_H();
    

  131.     sgp30_delay_us(1);
    

  132.     while (SGP30_READ_SDA())
    

  133.     {
    

  134.         tempTime++;
    

  135.         if (tempTime > 250)
    

  136.         {
    

  137.             IIC_Stop();
    

  138.             return 1;
    

  139.         }
    

  140.     }
    

  141.     SGP30_SCK_L();
    

  142.     return 0;
    

  143. }
    


  144. 

  145. static void IIC_Ack(void)
    

  146. {
    

  147.     SGP30_SCK_L();
    

  148.     SDA_SET_OUT();
    

  149.     SGP30_SDA_L();
    

  150.     sgp30_delay_us(2);
    

  151.     SGP30_SCK_H();
    

  152.     sgp30_delay_us(5);
    

  153.     SGP30_SCK_L();
    

  154. }
    


  155. 

  156. static void IIC_NAck(void)
    

  157. {
    

  158.     SGP30_SCK_L();
    

  159.     SDA_SET_OUT();
    

  160.     SGP30_SDA_H();
    

  161.     sgp30_delay_us(2);
    

  162.     SGP30_SCK_H();
    

  163.     sgp30_delay_us(5);
    

  164.     SGP30_SCK_L();
    

  165. }
    


  166. 

  167. static void IIC_Send_Byte(uint8_t txd)
    

  168. {
    

  169.     uint8_t t;
    

  170.     SDA_SET_OUT();
    

  171.     SGP30_SCK_L();
    

  172.     for (t = 0; t < 8; t++)
    

  173.     {
    

  174.         if ((txd & 0x80) > 0) //0x80  1000 0000
    

  175.             SGP30_SDA_H();
    

  176.         else
    

  177.             SGP30_SDA_L();
    

  178.         txd <<= 1;
    

  179.         sgp30_delay_us(2);
    

  180.         SGP30_SCK_H();
    

  181.         sgp30_delay_us(2);
    

  182.         SGP30_SCK_L();
    

  183.         sgp30_delay_us(2);
    

  184.     }
    

  185. }
    


  186. 

  187. static uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack)
    

  188. {
    

  189.     uint8_t i, receive = 0;
    

  190.     SDA_SET_IN();
    

  191.     for (i = 0; i < 8; i++)
    

  192.     {
    

  193.         SGP30_SCK_L();
    

  194.         sgp30_delay_us(2);
    

  195.         SGP30_SCK_H();
    

  196.         receive <<= 1;
    

  197.         if (SGP30_READ_SDA())
    

  198.             receive++;
    

  199.         sgp30_delay_us(1);
    

  200.     }
    

  201.     if (!ack)
    

  202.         IIC_NAck();
    

  203.     else
    

  204.         IIC_Ack();
    

  205.     return receive;
    

  206. }
    


  207. 

  208. static int sgp30_iic_write(uint8_t addr, const uint8_t* buf, uint32_t len)
    

  209. {
    

  210.         int i;
    

  211.     IIC_Start();
    

  212.     IIC_Send_Byte(addr);
    

  213.     IIC_Wait_Ack();
    

  214.         for(i = 0; i < len; i++)
    

  215.         {
    

  216.                 IIC_Send_Byte(buf[i]);
    

  217.                 IIC_Wait_Ack();
    

  218.         }
    

  219.     IIC_Stop();
    

  220.         return 0;
    

  221. }
    


  222. 

  223. static int sgp30_iic_read(uint8_t addr, uint8_t* buf, uint32_t len)
    

  224. {
    

  225.         int i;
    

  226.     IIC_Start();
    

  227.     IIC_Send_Byte(addr);
    

  228.         IIC_Wait_Ack();
    

  229.         for(i = 0; i < len - 1; i++)
    

  230.         {
    

  231.                 buf[i] = IIC_Read_Byte(1);
    

  232.         }
    

  233.         buf[i] = IIC_Read_Byte(0);  // SGP30接收数据时候的最后一个字节不需要等待ACK
    

  234.         IIC_Stop();
    

  235.         return 0;
    

  236. }
    


  237. 

  238. //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    

  239. ///
    

  240. ///       SGP30驱动代码
    

  241. ///
    

  242. //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    


  243. 

  244. static uint8_t sgp30_checksum(const uint8_t* buf, uint32_t len);
    


  245. 

  246. int sgp30_get_serial_id(uint8_t id[6])
    

  247. {
    

  248.     uint8_t buf[32];
    

  249.     uint8_t crc[3];
    


  250. 

  251.     buf[0] = (SGP30_CMD_GET_SERIAL_ID & 0XFF00) >> 8;
    

  252.     buf[1] = (SGP30_CMD_GET_SERIAL_ID & 0X00FF);
    


  253. 

  254.     if (sgp30_iic_write(SGP30_ADDR_WRITE, buf, 2) < 0)
    

  255.         return -1;
    


  256. 

  257.     if (sgp30_iic_read(SGP30_ADDR_READ, buf, 9) < 0)
    

  258.         return -2;
    


  259. 

  260.     crc[0] = buf[2];
    

  261.     crc[1] = buf[5];
    

  262.     crc[2] = buf[8];
    


  263. 

  264.     id[0]  = buf[0];
    

  265.     id[1]  = buf[1];
    

  266.     id[2]  = buf[3];
    

  267.     id[3]  = buf[4];
    

  268.     id[4]  = buf[6];
    

  269.     id[5]  = buf[7];
    


  270. 

  271.     if(
    

  272.         sgp30_checksum(&id[0], 2) != crc[0] ||
    

  273.         sgp30_checksum(&id[2], 2) != crc[1] ||
    

  274.         sgp30_checksum(&id[4], 2) != crc[2]
    

  275.     )
    

  276.         return -3;
    


  277. 

  278.     return 0;
    

  279. }
    


  280. 

  281. static uint8_t sgp30_checksum(const uint8_t* buf, uint32_t len)
    

  282. {
    

  283.         const uint8_t Polynomial = 0x31;
    

  284.         uint8_t Initialization = 0XFF;
    

  285.     uint8_t i = 0, k = 0;
    

  286.         while(i < len)
    

  287.         {
    

  288.                 Initialization ^= buf[i++];
    

  289.                 for(k = 0; k < 8; k++)
    

  290.                 {
    

  291.                         if(Initialization & 0X80)
    

  292.                                 Initialization = (Initialization << 1) ^ Polynomial;
    

  293.                         else
    

  294.                                 Initialization = (Initialization << 1);
    

  295.                 }
    

  296.         }
    

  297.         return Initialization;
    

  298. }
    


  299. 

  300. int sgp30_soft_reset(void)
    

  301. {
    

  302.     uint8_t cmd = 0X06;
    

  303.     return sgp30_iic_write(0X00, &cmd, 1);
    

  304. }
    


  305. 

  306. int sgp30_init(void)
    

  307. {
    

  308.     uint8_t buf[2];
    


  309. 

  310.         // 初始化IIC
    

  311.         if(sgp30_iic_init() < 0)
    

  312.                 return -1;
    


  313. 

  314.     // 软件复位
    

  315.     if (sgp30_soft_reset() < 0)
    

  316.         return -2;
    


  317. 

  318.     // 等待复位完成
    

  319.     sgp30_delay_ms(50);
    


  320. 

  321.     buf[0] = (SGP30_CMD_INIT_AIR_QUALITY & 0XFF00) >> 8;
    

  322.     buf[1] = (SGP30_CMD_INIT_AIR_QUALITY & 0X00FF);
    


  323. 

  324.         // 初始化控制测量参数
    

  325.     if (sgp30_iic_write(SGP30_ADDR_WRITE, buf, 2) < 0)
    

  326.         return -3;
    


  327. 

  328.     return 0;
    

  329. }
    


  330. 

  331. int sgp30_read(uint16_t* CO2, uint16_t* TVOC)
    

  332. {
    

  333.     uint8_t buf[8] = {0};
    


  334. 

  335.     buf[0] = (SGP30_CMD_MEASURE_AIR_QUALITY & 0XFF00) >> 8;
    

  336.     buf[1] = (SGP30_CMD_MEASURE_AIR_QUALITY & 0X00FF);
    


  337. 

  338.     // 启动空气质量测量
    

  339.     if (sgp30_iic_write(SGP30_ADDR_WRITE, buf, 2) < 0)
    

  340.         return -1;
    


  341. 

  342.     // 等待测量完成
    

  343.     sgp30_delay_ms(10);
    


  344. 

  345.     // 读取收到的数据
    

  346.     if (sgp30_iic_read(SGP30_ADDR_READ, buf, 6) < 0)
    

  347.         return -2;
    


  348. 

  349.     // 校验CRC
    

  350.     if (sgp30_checksum(&buf[3], 2) != buf[5])
    

  351.         return -3;
    


  352. 

  353.     if (CO2 != NULL)    *CO2  = (buf[0] << 8) | buf[1];
    

  354.     if (TVOC != NULL)   *TVOC = (buf[3] << 8) | buf[4];
    


  355. 

  356.     return 0;
    

  357. }
main函数测试代码：
初始化未完成依据是TVOC == 0 && CO2 == 400
复制
  1. int main(void)
    

  2. {
    

  3.     Delay_Init();
    

  4.     USART_Printf_Init(115200);
    


  5. 

  6.     while(sgp30_init() < 0)
    

  7.     {
    

  8.         printf(" sgp30 init fail\r\n");
    

  9.         Delay_Ms(1000);
    

  10.     }
    


  11. 

  12.     printf(" sgp30 init ok\r\n");
    


  13. 

  14.     if(sgp30_get_serial_id(ID) < 0)
    

  15.     {
    

  16.         printf(" sgp30 read serial id failed\r\n");
    

  17.     }else
    

  18.     {
    

  19.         printf(" sgp30 read serial id is:");
    

  20.         for(int i = 0; i < 6; i++)  printf("%02X", ID[i]);
    

  21.         printf("\r\n");
    

  22.     }
    


  23. 

  24.     printf(" sgp30 wait air for init");
    

  25.     do
    

  26.     {
    

  27.         if(sgp30_read(&CO2, &TVOC) < 0)
    

  28.         {
    

  29.             printf("\r\n spg30 read failed");
    

  30.         }else
    

  31.         {
    

  32.             printf(".");
    

  33.         }
    

  34.         Delay_Ms(500);
    

  35.     }while(TVOC == 0 && CO2 == 400);
    


  36. 

  37.     printf("\r\n");
    


  38. 

  39.     while (1)
    

  40.     {
    

  41.         if(sgp30_read(&CO2, &TVOC) < 0)
    

  42.         {
    

  43.             printf(" sgp30 read fail\r\n");
    

  44.         }
    

  45.         else
    

  46.         {
    

  47.             printf("CO2:%5dppm TVOC:%5dppb\r\n", CO2, TVOC);
    

  48.         }
    

  49.         Delay_Ms(1000);
    

  50.     }
    

  51. }


实物接线：
微信图片_20221219103520.jpg

串口调试助手打印结果：
spg30读取结果.png







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21ic小管家 打赏了 25.00 元 2022-12-20
理由：签约作者

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claretttt 发表于 2023-1-5 12:43 | 显示全部楼层
这个TVOC都包括什么的？              
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mattlincoln 发表于 2023-1-5 12:52 | 显示全部楼层
二氧化碳的数值测量怎么转换实际数值的？
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belindagraham 发表于 2023-1-5 13:39 | 显示全部楼层
这个是不是可以监测甲醛的数据呢              
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mattlincoln 发表于 2023-1-6 12:49 | 显示全部楼层
这个是什么源代码              
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maqianqu 发表于 2023-1-6 19:00 | 显示全部楼层
SGP30保持400是什么原因              
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LOVEEVER 发表于 2023-2-8 09:41 | 显示全部楼层
belindagraham 发表于 2023-1-5 13:39
这个是不是可以监测甲醛的数据呢

说的有理，甲醛能测就更好了
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Kear 发表于 2024-3-13 13:11 | 显示全部楼层
能发下源码码？谢谢
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