视频放大后不清晰,可将鼠标放在视频上,右上角出现“去bilibili观看”进行点击,转到B站观看清晰版本
一、实物图
二、原理图
编号 | 名称 | 功能 |
1 | VCC | 电源正 |
2 | GND | 电源地 |
3 | SDA | 串行地址和数据输入/输出 |
4 | SCL | 串行时钟输入 |
三、简介
SGP30是一款单一芯片上具有多个传感元件的金属氧化物室内气体传感器,内部集成4个气体传感元件,具有完全校准的空气质量输出信号,主要是对空气质量进行检测。可以输出:
TVOC(Total Volatile Organic Compounds,总挥发性有机物),量程为0~60000ppb;CO2浓度,量程400~60000ppm。
四、工作原理
SGP30的传感(MEMS)部分基于金属氧化物(MOx)纳米颗粒的加热膜。气敏材料——金属氧化物颗粒上吸附的氧气与目标气体发生反应,从而释放出电子。这导致由传感器测量的金属氧化物层的电阻发生改变。简而言之,还原性气体的出现造成气敏材料表面氧浓度降低,改变了半导体的电阻(或电导率)。后续通过电路(ASIC)部分对电阻进行检测、信号处理与转换等,最终获取到气体值。
五、通信协议(I2C通信)
1、I2C总线介绍
<1>I2C总线(Inter IC bus)是由Philips公司开发的一种通用数据总线。
<2>两根通信线:SCL(Serial Clock串行时钟线)、SDA(Serial Data串行数据线)。
<3>同步、半双工,带数据应答。
*注:同步(因为它有单独的时钟线)、半双工(SDA只有一根线,并且还要来回通信)
<4>通用的I2C总线,可以使各种设备的通信标准统一,对于厂家来说,使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性,对于应用者来说,使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议,降低了学习和应用的难度。
2、I2C电路规范
<1>所有I2C设备的SCL连在一起,SDA连在一起
<2>设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式(硬件IIC)
*开漏输出模式——断开时引脚成浮空状态(电路断开,电压不稳定)
<3>SCL和SDA各添加一个上拉电阻,阻值一般为4.7K~10K左右
<4>开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能,此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题。
3、I2C时序结构
起始信号:SCL高电平期间,SDA从高电平切换到低电平
停止信号:SCL高电平期间,SDA从低电平切换到高电平
代码如下:
/****
*******I2C总线启动信号
*****/
void SGP30_IIC_Start(void)
{
SGP30_SDA = 1;
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SDA = 0;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SCL = 0;
}
/****
*******I2C总线停止信号
*****/
void SGP30_IIC_Stop(void)
{
SGP30_SDA = 0;
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SDA = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
}
发送应答:在接收完一个字节之后,主机在下一个时钟发送一位数据,数据0表示应答,数据1表示非应答。
接收应答:在发送完一个字节之后,主机在下一个时钟接收一位数据,判断从机是否应答,数据0表示应答,数据1表示非应答(主机在接收之前,需要释放SDA)。
代码如下:
/****
*******发送应答或非应答信号
*****/
void SGP30_IIC_SendAck(bit ackbit)
{
SGP30_SCL = 0;
SGP30_SDA = ackbit;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SCL = 0;
SGP30_SDA = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
}
/****
*******等待应答信号
*****/
bit SGP30_IIC_WaitAck(void)
{
bit ackbit;
SGP30_SDA = 1;
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
ackbit = SGP30_SDA;
SGP30_SCL = 0;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
return ackbit;
}
发送一个字节:SCL低电平期间,主机将数据位依次放到SDA线上(高位在前),然后拉高SCL,主机将在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化,依次循环上述过程8次,即可发送一个字节。
代码如下:
/****
*******I2C总线发送一个字节数据
*****/
void SGP30_IIC_SendByte(uchar byte)
{
uchar i;
SGP30_SCL = 0;
for(i=0; i<8; i++)
{
if(byte & 0x80)
SGP30_SDA = 1;
else
SGP30_SDA = 0;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
SGP30_SCL = 0;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
byte <<= 1;
}
SGP30_IIC_WaitAck();
}
接收一个字节:SCL低电平期间,从机将数据位依次放到SDA总线上(高位在前),然后拉高SCL,从机将在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化,依次循环上述过程8次,即可接收一个字节(主机在接收之前,需要释放SDA)
代码如下:
/****
*******I2C总线接收一个字节数据
*****/
uchar SGP30_IIC_RecByte(bit ackbit)
{
uchar i, dat;
SGP30_SDA = 1;
for(i=0; i<8; i++)
{
SGP30_SCL = 1;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
dat <<= 1;
if(SGP30_SDA)
dat |= 1;
SGP30_SCL = 0;
SGP30_IIC_Delay(DELAY_TIME);
}
SGP30_IIC_SendAck(ackbit);
return dat;
}
4、SGP30读取数据
I2C从机地址是0X58,由于地址只用到了7bit,最高位未使用,最低位为判断是读还是写,为0是读,为1是写,所以:
- 对于写SGP30,地址为(0X58 << 1) = 0XB0
- 对于读SGP30,地址为((0X58 << 1)) | 0X01 = 0XB1
SGP30的命令都是双字节的,先发高位,有如下命令:
常用的有两个,一个是0x2003为初始化SGP30命令,另一个0x2008为获取空气质量值命令。
SGP30获取的数据格式为:2位CO2数据+1位CO2的CRC校验+2位TVOC数据+1位TVOC的CRC校验。模块上电需要15s左右初始化,在初始化阶段读取的CO2浓度为400ppm,TVOC为0ppd且恒定不变。因此上电后一直读,直到TVOC不为0并且CO2不为400,SGP30模块才初始化完成。
初始化完成后刚开始读出数据会波动比较大,属于正常现象,一段时间后会逐渐趋于稳定。气体类传感器比较容易受环境影响,测量数据出现波动是正常的,可以添加滤波函数进行滤波。
代码如下:
/****
*******向SGP30的地址address中写入一个字节的数据
*****/
void SGP30_Write_Data(uchar address,uchar dat)
{
SGP30_IIC_Start();
SGP30_IIC_SendByte(SGP30_SlaveAddress);
SGP30_IIC_SendByte(address);
SGP30_IIC_SendByte(dat);
SGP30_IIC_Stop();
}
/****
*******从SGP30的地址address中读取一个字节的数据
*****/
ulong SGP30_Read_Data()
{
ulong dat;
uint crc;
SGP30_IIC_Start();
SGP30_IIC_SendByte(SGP30_SlaveAddress + 1);
dat = SGP30_IIC_RecByte(SGP30_ACK); //CO2高位数据
dat <<= 8;
dat += SGP30_IIC_RecByte(SGP30_ACK); //CO2低位数据
crc = SGP30_IIC_RecByte(SGP30_ACK); //CRC校验值
dat <<= 8;
dat += SGP30_IIC_RecByte(SGP30_ACK); //TVOC高位数据
dat <<= 8;
dat += SGP30_IIC_RecByte(SGP30_ACK); //TVOC低位数据
crc = SGP30_IIC_RecByte(SGP30_NACK); //CRC校验值
SGP30_IIC_Stop();
return(dat);
}
/****
*******SGP30初始化函数
*****/
void SGP30_Init(void)
{
SGP30_Write_Data(0x20,0x03);
}
/****
*******SGP30获取CO2和TVOC值函数
*****/
void SGP30_Get_Co2_Tvoc_Value(uint *co2_value, uint *tvoc_value)
{
ulong sgp30_value;
SGP30_Write_Data(0x20,0x08);
sgp30_value = SGP30_Read_Data();
*co2_value = (sgp30_value & 0xffff0000) >> 16;
*tvoc_value = sgp30_value & 0x0000ffff;
}
六、流程设计
首先初始化引脚,然后发送初始化指令0x2003。接着发送读取数据指令0x2008,然后开始获取数据,先获取CO2高8位数据,再获取CO2低8位数据,再获取一次CRC校验值;然后再获取TVOC高8位数据,再获取TVOC低8位数据,再获取一次CRC校验值。数据获取好后,将CO2的高8位数据和低8位数据整合为一个数据即为CO2值,将TVOC的高8位数据和低8位数据整合为一个数据即为TVOC值。