蓝桥杯单片机I2C实战：手把手教你用PCF8591和AT24C02做个简易数据采集器-平芜编程栈

蓝桥杯单片机I2C实战：手把手教你用PCF8591和AT24C02做个简易数据采集器

在蓝桥杯单片机竞赛中，I2C总线技术是必须掌握的核心技能之一。本文将带你从零开始，利用PCF8591模数转换器和AT24C02 EEPROM存储器，构建一个功能完整的简易数据采集系统。这个系统不仅能实时采集环境数据，还能将关键信息存储起来，即使断电也不会丢失。

1. 项目需求分析与硬件准备

我们的目标是打造一个具备以下功能的数据采集器：

实时采集光敏电阻和电位计的模拟信号
通过按键切换采集模式
将采集到的关键数据存储到EEPROM中
通过LED和数码管显示当前状态和采集值
设置阈值触发LED报警功能

所需硬件组件：

组件	功能说明	连接方式
PCF8591	8位AD/DA转换芯片	I2C总线
AT24C02	256字节EEPROM	I2C总线
光敏电阻	环境光强检测	PCF8591通道1
电位器	可调电压输入	PCF8591通道3
独立按键	模式切换/数据存储	GPIO口
LED灯	状态指示	GPIO口
数码管	数据显示	GPIO口

在蓝桥杯官方开发板上，这些组件已经预先布局好，我们只需要关注软件实现即可。特别提醒：I2C总线的SCL和SDA分别连接在P2.0和P2.1引脚上。

2. I2C总线驱动实现

I2C总线通信需要严格的时序控制，我们先实现底层驱动函数：

#include <stc15.h> #include <intrins.h> sbit sda = P2^1; sbit scl = P2^0; #define I2C_DELAY() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_() void I2C_Start() { sda = 1; I2C_DELAY(); scl = 1; I2C_DELAY(); sda = 0; I2C_DELAY(); scl = 0; I2C_DELAY(); } void I2C_Stop() { sda = 0; I2C_DELAY(); scl = 1; I2C_DELAY(); sda = 1; I2C_DELAY(); } bit I2C_WaitAck() { scl = 1; I2C_DELAY(); if(sda) { scl = 0; return 1; } scl = 0; I2C_DELAY(); return 0; } void I2C_SendByte(unsigned char dat) { unsigned char i; for(i=0; i<8; i++) { scl = 0; sda = (dat & 0x80) ? 1 : 0; I2C_DELAY(); scl = 1; dat <<= 1; I2C_DELAY(); } scl = 0; } unsigned char I2C_ReceiveByte() { unsigned char i, dat = 0; for(i=0; i<8; i++) { scl = 1; I2C_DELAY(); dat <<= 1; if(sda) dat |= 0x01; scl = 0; I2C_DELAY(); } return dat; }

注意：实际应用中可能需要根据单片机主频调整延时时间，确保I2C时序满足器件要求。

3. PCF8591数据采集实现

PCF8591是一款集成了4通道模拟输入和1路模拟输出的8位AD/DA转换器。在蓝桥杯开发板上，我们主要使用它的两个功能：

通道1（AIN1）连接光敏电阻，检测环境光强
通道3（AIN3）连接电位器，检测手动调节的电压值

PCF8591关键操作函数：

#define PCF8591_WRITE 0x90 #define PCF8591_READ 0x91 // 读取PCF8591指定通道的AD值 unsigned char PCF8591_ReadADC(unsigned char channel) { unsigned char val; I2C_Start(); I2C_SendByte(PCF8591_WRITE); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(channel); // 通道选择 I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); I2C_Start(); I2C_SendByte(PCF8591_READ); I2C_WaitAck(); val = I2C_ReceiveByte(); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); return val; } // 设置PCF8591的DA输出 void PCF8591_WriteDAC(unsigned char value) { I2C_Start(); I2C_SendByte(PCF8591_WRITE); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(0x40); // 使能DA输出 I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(value); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); }

通道选择对照表：

控制字	对应功能
0x01	读取光敏电阻(AIN1)
0x03	读取电位器(AIN3)
0x40	使能DA输出

在实际应用中，我们通过定时扫描这两个通道，就能实时获取环境参数的变化情况。

4. AT24C02数据存储实现

AT24C02是一款256字节的EEPROM存储器，具有掉电不丢失的特性，非常适合存储系统配置和采集的关键数据。

AT24C02操作要点：

写操作后需要5-10ms的写入周期
避免频繁写入同一地址，延长芯片寿命
单次写入不超过一页(8字节)

实现代码如下：

#define AT24C02_WRITE 0xA0 #define AT24C02_READ 0xA1 // 向指定地址写入数据 void AT24C02_WriteByte(unsigned char addr, unsigned char dat) { I2C_Start(); I2C_SendByte(AT24C02_WRITE); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(addr); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(dat); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); Delay10ms(); // 等待写入完成 } // 从指定地址读取数据 unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char addr) { unsigned char dat; I2C_Start(); I2C_SendByte(AT24C02_WRITE); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(addr); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); I2C_Start(); I2C_SendByte(AT24C02_READ); I2C_WaitAck(); dat = I2C_ReceiveByte(); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); return dat; }

提示：在实际项目中，可以将阈值参数、校准数据等关键信息存储在AT24C02中，系统启动时读取这些配置。

5. 系统整合与功能实现

现在我们将各个模块整合起来，实现完整的采集系统功能。以下是主程序框架：

#include "stc15.h" #include "intrins.h" #include "i2c.h" // 全局变量定义 unsigned char g_AD_Value = 0; // 当前AD值 unsigned char g_Threshold = 60; // 报警阈值 bit g_LightMode = 0; // 0-光敏模式 1-电位器模式 unsigned char g_StoredValue = 0; // EEPROM中存储的值 // 数码管显示函数 void Display_Value(unsigned char value) { // 实现数码管显示逻辑 } // 按键处理函数 void Key_Process() { // 实现按键扫描和处理逻辑 // S11 - 切换采集模式 // S6 - 存储当前值到EEPROM } // LED状态更新 void Update_LEDs() { if(g_AD_Value > g_Threshold) { // 点亮报警LED } else { // 熄灭报警LED } // 更新模式指示LED } void main() { // 初始化 P2 = 0xA0; // 初始化IO口 Delay100ms(); // 从EEPROM读取存储值 g_StoredValue = AT24C02_ReadByte(0x50); while(1) { // 采集数据 if(g_LightMode) { g_AD_Value = PCF8591_ReadADC(0x03); // 电位器模式 } else { g_AD_Value = PCF8591_ReadADC(0x01); // 光敏模式 } // 处理按键 Key_Process(); // 更新显示 Display_Value(g_AD_Value); // 更新LED状态 Update_LEDs(); Delay100ms(); } }

功能扩展建议：