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【mcuclub】CO2及TVOC检测-SGP30

2023-11-16

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。

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