第十章：温湿度传感器（AHT20）从设备程序设计

寄存器地址	类别	用途	描述
0000H	DO	控制蜂鸣器1	1-响
0001H	DO	控制蜂鸣器2	1-响
0002H	DO	控制LED1	1-亮
0003H	DO	控制LED2	1-亮
0004H	DO	控制LED3	1-亮
0000H	AI	读取温度	单位0.1°C，16位有符号整数
0001H	AI	读取湿度	单位0.1%RH，16位无符号整数

10.4 AHT20传感器操作详解

10.4.1 AHT20通信时序（参考图片）

AHT20使用I2C接口，操作步骤如下：

上电等待：VDD上电后需等待至少5ms，使传感器稳定。
发送测量命令：主机发送写命令0x70，然后发送3字节命令0xAC 0x33 0x00。
等待测量完成：传感器测量需至少80ms（典型值）。
读取数据：主机发送读命令0x71，读取7字节数据：
- 字节0：状态字（Status）
- 字节1-2：湿度数据高16位（SRH[19:4]）
- 字节3：湿度低4位+温度高4位
- 字节4-5：温度数据中低16位（ST[15:0]）
- 字节6：CRC校验字节（对字节0~5计算CRC8）
CRC校验：使用多项式x^8 + x^5 + x^4 + 1（即0x31）计算CRC8，与接收的CRC字节比较，验证数据完整性。
数据转换：将20位原始湿度数据和20位原始温度数据转换为实际物理量。

10.4.2 数据格式解析（参考图片）

AHT20返回的7字节数据排列如下：

字节索引	内容	说明
0	Status	状态字（通常为0x1C表示正常）
1	Humidity[19:12]	湿度高8位
2	Humidity[11:4]	湿度中8位
3	Humidity[3:0] + Temperature[19:16]	湿度低4位（高4位）+温度高4位（低4位）
4	Temperature[15:8]	温度中8位
5	Temperature[7:0]	温度低8位
6	CRC	对字节0~5的CRC8校验值

从这6字节中提取20位湿度原始值S_RH和20位温度原始值S_T：

S_RH = (datas[1] << 12) | (datas[2] << 4) | (datas[3] >> 4)
S_T  = ((datas[3] & 0x0F) << 16) | (datas[4] << 8) | datas[5]

10.4.3 物理量转换公式

根据AHT20数据手册：

相对湿度：RH[%] = (S_RH / 2^20) * 100%
温度：T[°C] = (S_T / 2^20) * 200 - 50

在程序中，我们需要将结果转换为指定的单位（温度0.1°C，湿度0.1%），因此：

温度（0.1°C）：temp = (S_T * 200 * 10) / 0x100000 - 500
- 解释：S_T / 2^20 * 200 得到摄氏度，再乘以10得到0.1°C单位，减去50*10=500。
湿度（0.1%）：humi = (S_RH * 100 * 10) / 0x100000
- 解释：S_RH / 2^20 * 100 得到百分比，乘以10得到0.1%单位。

10.4.4 CRC校验函数

CRC8计算函数如下，多项式0x31，初始值0xFF：

unsigned char Calc_CRC8(unsigned char *message, unsigned char Num)
{
    unsigned char i;
    unsigned char byte;
    unsigned char crc = 0xFF;
    for (byte = 0; byte < Num; byte++)
    {
        crc ^= (message[byte]);
        for (i = 8; i > 0; --i)
        {
            if (crc & 0x80)
                crc = (crc << 1) ^ 0x31;
            else
                crc = (crc << 1);
        }
    }
    return crc;
}

10.5 程序结构设计

由于AHT20测量一次需80ms，如果在Modbus接收任务中直接读取，会严重阻塞通信（Modbus超时通常较短）。因此采用双任务设计：

AHT20任务：独立任务，循环读取传感器，更新全局变量g_temp和g_humi。
Modbus任务：收到请求后，直接从全局变量获取最新温湿度值，填入输入寄存器，快速回复。

10.6 代码逐行解析

10.6.1 宏定义与全局变量

#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR
void AHT20Task(void *argument);
static void aht20_get_datas(uint16_t *temp, uint16_t *humi);

#define SLAVE_ADDR 3
#define NB_BITS             5
#define NB_INPUT_BITS       0 
#define NB_REGISTERS        0
#define NB_INPUT_REGISTERS  2  

static uint32_t g_temp, g_humi;  // 存储最新温湿度原始值（已转换单位）
#endif

g_temp和g_humi为全局变量，供Modbus任务读取。
aht20_get_datas函数用于安全获取这两个值（可能用临界区保护，但此处简单直接读取）。

10.6.2 CRC计算函数

已在10.4.4给出。

10.6.3 AHT20任务函数

void AHT20Task(void *argument)
{
    uint8_t cmd[] = { 0xAC, 0x33, 0x00};   // 测量命令
    uint8_t datas[7];                       // 接收数据缓冲区
    uint8_t crc;
    extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;          // 引用HAL库的I2C句柄

    vTaskDelay(10); /* 等待传感器上电稳定 */

    while (1)
    {
        // 1. 发送测量命令
        if (HAL_OK == HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x70, cmd, 3, 100))
        {
            // 2. 等待测量完成（至少80ms）
            vTaskDelay(100);   // 延时100ms，确保测量完成

            // 3. 读取7字节数据
            if (HAL_OK == HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x70, datas, 7, 100))
            {
                // 4. CRC校验
                crc = Calc_CRC8(datas, 6);   // 对前6字节计算CRC
                if (crc == datas[6])          // 与接收的第7字节比较
                {
                    // 5. 数据解析
                    // 湿度原始值：datas[1]高8位，datas[2]中8位，datas[3]高4位为湿度低4位
                    g_humi = ((uint32_t)datas[1] << 12) | ((uint32_t)datas[2] << 4) | ((uint32_t)datas[3] >> 4);
                    // 温度原始值：datas[3]低4位为温度高4位，datas[4]中8位，datas[5]低8位
                    g_temp = (((uint32_t)datas[3] & 0x0F) << 16) | ((uint32_t)datas[4] << 8) | ((uint32_t)datas[5]);

                    // 6. 转换为实际单位
                    // 温度：原始值/2^20 * 200 - 50，再乘以10得到0.1°C
                    g_humi = g_humi * 100 * 10 / 0x100000;   // 0.1%
                    g_temp = g_temp * 200 * 10 / 0x100000 - 500; // 0.1°C
                }
            }
        }

        // 7. 延时20ms再进行下一次测量（可根据需要调整）
        vTaskDelay(20);
    }
}

逐行解释：

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x70, cmd, 3, 100)：发送3字节命令到设备地址0x70（写操作）。0x70是写地址（7位地址0x38左移1位，最低位0）。
发送成功后，延时100ms（大于80ms，保证测量完成）。
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x70, datas, 7, 100)：从设备地址0x70读取7字节数据（注意读地址应为0x71，但HAL库函数会根据地址最低位自动处理，所以此处仍用0x70？实际上HAL库中DevAddress是7位地址左移1位，所以0x70对应写，0x71对应读。这里用0x70作为读地址是错误的，应该用0x71。可能是代码笔误，正确应为0x71。讲解时需指出。）
Calc_CRC8(datas, 6)：计算前6字节的CRC8，与接收的第7字节比较，确保数据无误。
数据拼接：
- g_humi = ((uint32_t)datas[1] << 12) | ((uint32_t)datas[2] << 4) | ((uint32_t)datas[3] >> 4);
  - datas[1]是湿度高8位，左移12位到20位的高位。
  - datas[2]是湿度中8位，左移4位到中间。
  - datas[3]的高4位是湿度低4位，右移4位后放到最低4位。
- g_temp = (((uint32_t)datas[3] & 0x0F) << 16) | ((uint32_t)datas[4] << 8) | ((uint32_t)datas[5]);
  - datas[3]的低4位是温度高4位，先掩码取出，左移16位。
  - datas[4]是温度中8位，左移8位。
  - datas[5]是温度低8位。
单位转换：
- g_humi = g_humi * 100 * 10 / 0x100000; 先乘1000，再除以2^20，结果就是0.1%单位。
- g_temp = g_temp * 200 * 10 / 0x100000 - 500; 先乘2000，除以2^20，再减去500（因为减去50*10）。
最后延时20ms，循环下一次测量。注意两次测量间隔应至少100ms（80ms测量+20ms延时），但这里实际间隔约为100+20=120ms，合理。

10.6.4 Modbus任务中的处理

在Modbus任务中，需要创建AHT20任务，并在收到请求后获取温湿度值填入输入寄存器。

创建AHT20任务（通常在MX_FREERTOS_Init或任务启动前）：

osThreadNew(AHT20Task, NULL, &aht20_task_attributes);

在Modbus任务循环中：

#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR
    // 获取最新温湿度值
    uint16_t temp, humi;
    aht20_get_datas(&temp, &humi);
    mb_mapping->tab_input_registers[0] = temp;  // 温度存入输入寄存器0
    mb_mapping->tab_input_registers[1] = humi;  // 湿度存入输入寄存器1
#endif

// 回复请求 rc = modbus_reply(ctx, query, rc, mb_mapping);

aht20_get_datas函数简单读取全局变量：

static void aht20_get_datas(uint16_t *temp, uint16_t *humi)
{
    *temp = (uint16_t)g_temp;  // 假设温度在int16范围内
    *humi = (uint16_t)g_humi;
}

注意：g_temp和g_humi是uint32_t，但实际值可能超出16位范围？根据公式，温度范围-50~150°C，0.1°C单位下为-500~1500，适合int16；湿度0~1000，适合uint16。所以强转安全。

10.6.5 输出控制部分

与第九章相同，根据tab_bits控制蜂鸣器和LED：

#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR
    /* beep1 */
    if (mb_mapping->tab_bits[0])
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET);
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_RESET);
    // ... 类似处理其他
#endif

10.7 关键难点解析

10.7.1 为什么不能直接在Modbus任务中读取AHT20？

AHT20测量需要80ms等待，而Modbus通信通常有超时限制（如响应超时可能设为1秒，但如果在任务中阻塞80ms，会影响其他请求的及时处理，且若多个请求连续到来，可能导致响应超时。更重要的是，在单任务循环中，阻塞80ms会使整个任务停滞，无法接收其他请求。因此必须用独立任务。

10.7.2 I2C地址问题

AHT20的7位地址是0x38（二进制0111000）。写操作为0x70（0x38<<1 | 0），读操作为0x71（0x38<<1 | 1）。在HAL库函数中，DevAddress参数通常要求传入8位地址（即包含读写位）。因此发送命令时应使用0x70，接收数据时应使用0x71。代码中接收时用了0x70，可能是笔误，但有些HAL库版本会自动处理？通常应纠正为0x71。

10.7.3 数据拼接与移位运算

湿度数据20位分布在3个字节中，需要仔细理解每个字节的位分布。通过位运算正确提取。
温度数据同理。注意datas[3]同时包含湿度低4位和温度高4位，所以需要掩码分离。

10.7.4 CRC校验的必要性

I2C通信可能受干扰，CRC校验能确保数据正确，防止错误值被用于控制。如果CRC失败，应丢弃本次数据，保留上次有效值。

10.7.5 单位转换的数学推导

公式 RH = S_RH / 2^20 * 100，乘以10得0.1%单位：RH_0_1 = S_RH * 1000 / 2^20。
温度公式 T = S_T / 2^20 * 200 - 50，乘以10得0.1°C：T_0_1 = S_T * 2000 / 2^20 - 500。
注意整数运算顺序，先乘后除避免精度损失，但需防止溢出。这里S_T最大约2^20-1≈1e6，乘以2000≈2e9，在32位范围内，安全。

10.8 调试与验证

验证I2C通信：使用逻辑分析仪抓取I2C波形，确认发送的命令和接收的数据是否正确。
验证CRC：手动计算CRC8与接收值比较。
验证温湿度值：用串口打印转换后的值，与实际情况对比（如对着传感器呼气湿度应上升）。
Modbus通信测试：用Modbus Poll读取输入寄存器地址0和1，观察数值是否合理变化。

10.9 本章核心知识点总结

AHT20操作三步曲：发送测量命令→等待80ms→读取数据+CRC校验。
独立任务的必要性：避免长时间阻塞影响Modbus通信。
数据解析：从6字节中提取20位原始值，注意位分布和移位操作。
CRC8校验：多项式0x31，初始值0xFF，确保数据完整性。
物理量转换：根据数据手册公式转换为实际单位，注意整数运算顺序。
共享数据保护：全局变量在多任务间共享，需考虑原子性（此处值较小，无保护也可，但严谨应用应加临界区或互斥信号量）。
Modbus映射更新：在收到请求时从全局变量获取最新值填入输入寄存器。

乐奇 Rokid 开放社区

更多推荐

镜游小导：运行在 Rokid AR 眼镜上的景区实景讲解智能体

项目以 RokidAIUI 开放智能体形态交付：页面用.ink描述，运行在眼镜端智能体运行时，直接调用系统能力。AGENTS.md身份镜游小导v1.0.0，景区 AR 实景讲解智能体；权限（Capabilities）microphonenetworkaudiogyroscope；技能（Skills）。

乐奇 Rokid 开放社区

宠小护 · 住在 Rokid AR 眼镜里的宠物健康管家

一共定义了 8 类意图，LLM 轨和正则轨共用同一套定义：INTENT用户大概会怎么说关键槽位addPet我家猫咪叫团子，英短，4公斤addEvent团子上个月20号打了疫苗团子的档案petNamequeryDue有什么该做的 / 下次驱虫什么时候eventType（可选）好的 / 做完了 / 驱过了无，作用于当前提醒卡removePet把团子的档案删了petNamechitchat猫能吃巧克力吗