51单片机——I2C-EEPROM

I2C：总线标准或通信协议

EEPROM：AT24C02芯片

开发板板载了1个EEPROM模块，可实现IIC通信

1、EEPROM模块电路（AT24C02）

芯片的SCL和SDA管脚是连接在单片机的P2.1和P2.0上 

2、I2C介绍

        I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器（MCU）及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点

        I2C 总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL

2.1 I2C物理层

I2C通信设备常用的连接方式如下图所示：

特点（了解一下即可）： 

（1）它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机

（2）一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步

（3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问

（4）总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平

（5）多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线

（6）具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式

（7）连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制（接5-6个没有问题）

2.2 I2C协议层（作用于MCU）

I2C的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节

2.2.1 数据有效性规定

I2C总线进行数据传送时，时钟（SCL）信号为高电平期间，数据（SDA）线上的数据必须保持稳定；只有在时钟（SCL）线上的信号为低电平期间，数据（SDA）线上的高电平或低电平状态才允许变化。如下图所示：

 

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制

每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位

2.2.1.1 读数据的代码 

SCL为高电平时才能读数据 

 //6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack){
    u8 i=0,receive=0;
    for(i=0;i<8;i++){
        IIC_SCL=0;  //开始时SCL为低电平
        delay_10us(1);  //有一个延时，是因为高低电平变化时，会有一个变化时间，需要延时一下
        IIC_SCL=1;  //往后走变为高电平
        receive<<=1;
        if(IIC_SDA==1){
            receive++;
        }
        delay_10us(1);
    }
    if(!ack){
        iic_ack();
    }else{
        iic_nack();
    }
    return receive;
}

2.2.1.2 写数据的代码 

void iic_write_byte(u8 dat){
    u8 i=0;
    IIC_SCL=0;  //为0时，数据可以改变
    //循环8次，将一个字节传出去
    //要求：先传高位，再传低位
    for(i=0;i<8;i++){
        if((dat&0x80)>0){
            IIC_SDA=1;
        }else{
            IIC_SDA=0;
        }
        dat<<=1;  //把次高位变为最高位
        delay_10us(1);
        IIC_SCL=1;
        delay_10us(1);
        IIC_SCL=0;
        delay_10us(1);
    }
}  

2.2.2 起始和停止信号

起始条件：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号

终止条件：SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号

如下图所示：

2.2.2.1 起始信号

 void iic_start(){
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SDA=0;  //SDA先变为低电平，先写SDA
//    delay_10us(1);  //可以加，也可以不加
    IIC_SCL=0;  //拉低后，就准备发送和接收数据
//    delay_10us(1);  //可以加，也可以不加
}

2.2.2.2 停止信号

 void iic_stop(){
    IIC_SDA=0;
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1;  //写不写都可以
}

2.2.3 应答响应

每当发送器件传输完一个字节（长度：8）的数据后，后面必须紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制 SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应

响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号

        作为数据接收端时，当设备（无论主从机）接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号即特定的低电平脉冲， 发送方会继续发送下一个数据

        若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号即特定的高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输

应答响应时序图如下图所示：

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1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

2.2.3.1 应答0

 void iic_ack(){
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;  //应答
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=0;
}

2.2.3.2 非应答1

 void iic_nack(){
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=1;  //非应答
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=0;
}

2.2.3.3 等待应答

返回值为0应答；返回值为1非应答

u8 iic_wait_ack(){
    u8 time_temp=0;  //注意：定义变量时放在上方，否则容易出现问题
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    //意外情况，没有应答
    while(IIC_SDA){  //等待IIC_SDA出现低电平
        time_temp++;
        if(time_temp>100){  //超时了，强制退出
            iic_stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL=0;
    return 0;
}

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要 

2.2.4 总线的寻址方式

（1）I2C总线寻址按照从机地址位数可分为两种，一种是7位，另一种是10位。采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）的位定义如下图所示：

D7-D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据 

（2）AT24C02器件地址为7位，高4位固定为1010，低3位由A0/A1/A2信号线的电平决定。因为传输地址或数据是以字节为单位传送的，当传送地址时，器件地址占7位，还有最后一位（最低位R/W）用来选择读写方向，它与地址无关。其格式如下图所示：

如果要对芯片进行写操作时，R/W 即为0，写器件地址即为0XA0；如果要对芯片进行读操作时，R/W 即为1，此时读器件地址为0XA1

（1）和（2）连起来看，两个图代表的意思一样

2.2.5 数据传输

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/W），用“0”表示主机发送（写）数据（W），“1”表示主机接收（读）数据（R）

2.2.5.1 写数据

有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号

 

void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat){  //addr：at24c02的地址
    iic_start();                                                //S
    iic_write_byte(0xa0);  //1010 0000          //从机地址和0
    iic_wait_ack();                                         //A
    iic_write_byte(addr);  //指定地址             //寄存器（at24c02）地址
    iic_wait_ack();                                         //A
    iic_write_byte(dat);                                 //数据
    iic_wait_ack();                                         //A/A非
    iic_stop();                                                //P
    delay_ms(10);
} 

2.2.5.2 读数据 

有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号

 u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr){  //addr：at24c02的数据地址
    u8 temp=0;
    iic_start();                                                //S
    iic_write_byte(0xa0);  //1010 0000          //从机地址和0
    iic_wait_ack();                                         //A
    iic_write_byte(addr);  //指定地址             //寄存器（at24c02）地址
    iic_wait_ack();                                         //A/A非
    
    iic_start();                                                //S
    iic_write_byte(0xa1);  //1010 0001          //从机地址和1
    iic_wait_ack();                                         //A
    temp=iic_read_byte(1);  //读时从当前地址开始读（因为上方已经指定过at24c02的地址了，所以不需要再次指定at24c02的地址 ）
    iic_stop();                                                //P
    return temp;
}

3、软件设计

3.1 创建多文件工程

3.1.1 创建文件夹

在电脑上创建一个实验文件夹，为了与教程配套，这里命名为“I2C-EEPROM实验”，然后在该文件夹内新建App、Public、User三个文件夹，如下图所示：

 

Listings和Objects是软件自动生成的 

App文件夹：用于存放外设驱动文件，如LED、数码管、定时器等（24c02、iic、key、smg四个文件夹）

Public文件夹：用于存放51单片机公共的文件，如延时、51头文件、变量类型重定义等。

User文件夹：用于存放用户主函数文件，如main.c

3.1.2 新建工程

首先打开KEILC51软件，新建一个工程，将工程命名为template并保存在“I2C-EEPROM实验”文件夹下，然后选择芯片类型为“AT89C52”，不使用系统创建启动文件

3.1.3 向工程添加文件

（1）将含有.c文件的文件夹添加到工程中，这里我在工程中创建3组，User、App、Publi，通常在工程组的命名与创建的文件夹名保持一致，方便查找到源文件位置

 

（2）点击下图中的图标，创建新文件，Ctrl+S将文件重命名，并保存到对应的文件夹中

例如：创建新文件，Ctrl+S将文件重命名为public.c，并保存到public文件夹中

 

（3）这样每一个文件夹中都有一个.c和一个.h文件（文件名和文件夹名一样），之后需要将建好的文件添加到（1）创建的工程中

 

App：24c02.c、iic.c、key.c、smg.c

Public：public.c

User：main.c

 

3.1.4 配置魔术棒选项卡

（1）点击下图中的图标

 

（2） 点击Output选项卡，将CreateHEXFile选项勾上

 

（3）点击C51选项卡，将前面添加到工程组中的文件路径包括进来，否则程序中调用其他文件夹的头文件则会报错找不到头文件路径

 

 

 

3.2 实验代码

要实现的功能是：系统运行时，数码管右3位显示0，按K1键将数据写入到EEPROM内保存，按K2键读取EEPROM内保存的数据，按K3键显示数据加1，按K4键显示数据清零，最大能写入的数据是255

一般我们以文件形式存放对应功能的驱动程序时，会创建2个文件，一个是.c源文件，另一个是.h头文件。源文件（.c）通常存放的是外设的驱动程序，比如按键检测函数；而头文件（.h）通常用 来存放管脚定义、变量声明、函数声明

3.2.1 public文件

3.2.1.1 public.h

//头文件中放置函数的声明、全局变量的定义
#ifndef _public_H
#define _public_H
#include "reg52.h"
//全局变量
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
//两个延迟函数声明
void delay_10us(u16 us);
void delay_ms(u16 ms);
#endif

在头文件的开头，使用“#ifndef”关键字，判断标号“_public_H”是否被定义，若没有被定义，则从“#ifndef”至“#endif”关键字之间的内容都有效

这个头文件（public.h文件）若被其它文件“#include”，它就会被包含到其该文件中，且头文件中紧接着使用“#define”关键字定义上面判断的标号“_public_H”。当这个头文件被同一个文件第二次“#include”包含的时候，由于有了第一次包含中的“#define _public_H” 定义，这时再判断“#ifndef _public_H”，判断的结果就是假了，从“#ifndef” 至“#endif”之间的内容都无效，从而防止了同一个头文件被包含多次，编译时就不会出现“redefine（重复定义）”的错误了

3.2.1.2 public.c

#include "public.h"
void delay_10us(u16 us){
    while(us--);
}
void delay_ms(u16 ms){
    u16 i=0,j=0;
    for(i=0;i<ms;i++){
        for(j=0;j<110;j++);
    }
}

3.2.2 独立按键

3.2.2.1 key.h文件

#ifndef _key_H
#define _key_H
#include "public.h"
sbit KEY1=P3^1;
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;
u16 key_scan(u16 mode);
#endif

3.2.2.2 key.c文件

 #include "key.h"
u16 key_scan(u16 mode){
    static u16 key=1;
    if(mode==1){
        key=1;
    }
    if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0)){
        delay_10us(1000);
        key=0;
        if(KEY1==0){
            return 1;
        }else if(KEY2==0){
            return 2;
        }else if(KEY3==0){
            return 3;
        }else if(KEY4==0){
            return 4;
        }
    }else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1){
        key=1;
        return 0;
    }
}

3.2.3 动态数码管

3.2.3.1 smg.h

#ifndef _smg_H
#define _smg_H
#include "public.h"
sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;
#define SMG_A_DP_PORT P0
extern u8 gsmg_code[];
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos);
#endif

3.2.3.2 smg.c

#include "smg.h"
u8 gsmg_code[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
//save_buff是一个u8类型的数组，方便外部传入要显示的数据
//pos是数码管从左开始第几个位置开始显示，取值范围是1-8
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos){
    u16 i=0;
    u16 pos_temp=pos-1;
    for(i=pos_temp;i<8;i++){
        //位选
        switch(i){
            case 0:
                LSC=1,LSB=1,LSA=1;  //7
                break;
            case 1:
                LSC=1,LSB=1,LSA=0;  //6
                break;
            case 2:
                LSC=1,LSB=0,LSA=1;  //5
                break;
            case 3:
                LSC=1,LSB=0,LSA=0;  //4
                break;
            case 4:
                LSC=0,LSB=1,LSA=1;  //3
                break;
            case 5:
                LSC=0,LSB=1,LSA=0;  //2
                break;
            case 6:
                LSC=0,LSB=0,LSA=1;  //1
                break;
            case 7:
                LSC=0,LSB=0,LSA=0;  //0
                break;
        }
        SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[save_buff[i-pos_temp]];  //save_buff[?]（？：0、1、2）
        delay_10us(100);
        SMG_A_DP_PORT=0x00;  //消隐
    }
}

3.2.4 I2C读写字节函数

3.2.4.1 iic.h

#ifndef _iic_H
#define _iic_H
#include "public.h"
//定义管脚
sbit IIC_SCL=P2^1;
sbit IIC_SDA=P2^0;

//iic协议层的函数
//1、起始信号
void iic_start();
//2、停止信号
void iic_stop();
//3、应答
void iic_ack();
//4、非应答
void iic_nack();
//5、等待应答
u8 iic_wait_ack();
//6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack);
//7、写字节
void iic_write_byte(u8 dat);
#endif

3.2.4.2 iic.c 

#include "iic.h"
//iic协议层的函数

//1、起始信号
void iic_start(){
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SDA=0;
//    delay_10us(1);  //可以加，也可以不加
    IIC_SCL=0;  //拉低后，就准备发送和接收数据
//    delay_10us(1);  //可以加，也可以不加
}

//2、停止信号
void iic_stop(){
    IIC_SDA=0;
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1;  //写不写都可以
}

//3、应答
void iic_ack(){
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;  //应答
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=0;
}

//4、非应答
void iic_nack(){
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=1;  //非应答
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    IIC_SCL=0;
}

//5、等待应答，返回值为0应答；返回值为1非应答
u8 iic_wait_ack(){
    u8 time_temp=0;  //注意：定义变量时放在上方，否则容易出现问题
    IIC_SCL=1;
    delay_10us(1);
    //意外情况，没有应答
    while(IIC_SDA){  //等待IIC_SDA出现低电平
        time_temp++;
        if(time_temp>100){  //超时了，强制退出
            iic_stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL=0;
    return 0;
}

//6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack){
    u8 i=0,receive=0;
    for(i=0;i<8;i++){
        IIC_SCL=0;
        delay_10us(1);
        IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(IIC_SDA==1){
            receive++;
        }
        delay_10us(1);
    }
    //注意：看看测试时和案例是否一样（没有区别）
    if(!ack){
        iic_ack();
    }else{
        iic_nack();
    }
    return receive;
}
//7、写字节
void iic_write_byte(u8 dat){
    u8 i=0;
    IIC_SCL=0;  //为0时，数据可以改变
    //循环8次，将一个字节传出去
    //要求：先传高位，再传低位
    for(i=0;i<8;i++){
        if((dat&0x80)>0){
            IIC_SDA=1;
        }else{
            IIC_SDA=0;
        }
        dat<<=1;  //把次高位变为最高位
        delay_10us(1);
        IIC_SCL=1;
        delay_10us(1);
        IIC_SCL=0;
        delay_10us(1);
    }
} 

3.2.5 AT24C02读写字节函数

3.2.5.1 at24c02.h

#ifndef _at24c02_H
#define _at24c02_H
#include "public.h"
#include "iic.h"
//写入数据函数
void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat);
//读数据函数
u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr);
#endif

3.2.5.2 at24c02.c

#include "at24c02.h"
//写
void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat){  //addr：at24c02的地址
    iic_start();
    iic_write_byte(0xa0);  //1010 0000
    iic_wait_ack();
    iic_write_byte(addr);  //指定地址
    iic_wait_ack();
    iic_write_byte(dat);
    iic_wait_ack();
    iic_stop();
    delay_ms(10);
}

//读
u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr){  //addr：at24c02的数据地址
    u8 temp=0;
    iic_start();
    iic_write_byte(0xa0);
    iic_wait_ack();
    iic_write_byte(addr);  //指定地址
    iic_wait_ack();
    
    iic_start();
    iic_write_byte(0xa1);
    iic_wait_ack();
    temp=iic_read_byte(1);  //读时从当前地址开始读
    iic_stop();
    return temp;
}

3.2.6 main.c

 #include "public.h"
#include "smg.h"
#include "key.h"
#include "iic.h"
#include "at24c02.h"
#define EEPROM_ADDRESS 0  //不超过255即可
/*
系统运行时，数码管右3位显示0
按K1键将数据写入到EEPROM内保存
按K2键读取EEPROM内保存的数据
按K3键显示数据加1，最大能写入的数据是255（0-255）
按K4键显示数据清零
*/
void main(){
    u8 key_temp=0;
    u8 save_value=0;  //可以不设为0
    u8 save_buff[3];
    while(1){
        key_temp=key_scan(0);
        if(key_temp==1){  //保存数据（写）
            at24c02_write_one_byte(EEPROM_ADDRESS,save_value);
        }else if(key_temp==2){  //读取数据
            save_value=at24c02_read_one_byte(EEPROM_ADDRESS);
        }else if(key_temp==3){  //数据+1
            save_value++;
            if(save_value==255){
                save_value=255;
            }
        }else if(key_temp==4){  //数据清零
            save_value=0;
        }
        //save_value是一个十进制的值
        //让数码管显示数据，需要得到save_value个位、十位和百位的值
        save_buff[0]=save_value/100;  //百位
        save_buff[1]=save_value/10%10;  //十位
        save_buff[2]=save_value%10;  //个位
        smg_display(save_buff,6);
    }
}

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