4、I2C总线通信：I2C协议详解，ESP32作为主机，扫描总线设备，驱动温湿度传感器(SHT30)

说到I2C，这玩意儿在嵌入式圈子里太常见了。两根线，就能挂一堆设备，省GPIO又方便。我个人习惯是，只要不是对速率有变态要求的场景，首选I2C。今天咱们就拿ESP32当主机，把SHT30这个温湿度传感器给调通。

4.1 I2C协议，其实没那么玄乎

I2C总线就两条线：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。所有设备都挂在这两根线上，靠地址区分谁是谁。主机（咱们的ESP32）负责产生时钟，从机（比如SHT30）听令行事。

通信流程说白了就三步：

• 起始信号：SCL高电平时，SDA从高变低。告诉所有从机：“注意，我要开始说话了。”
• 地址+读写位：主机发送7位从机地址，再加1位读写标志（0表示写，1表示读）。从机收到后，如果地址匹配，会拉低SDA回应一个ACK。
• 数据传输：每发8位数据，等待从机ACK。发完停止信号（SCL高电平时，SDA从低变高）。

我在项目中遇到过一个问题：两根线太长，导致信号反射，数据错乱。后来加了上拉电阻（4.7kΩ），问题就解决了。嗯，这里要注意，I2C总线必须要有上拉电阻，ESP32内部虽然有弱上拉，但不够稳，建议外部加。

4.2 ESP32的I2C外设，怎么配？

ESP32有两个I2C控制器，咱们用I2C0。配置起来很简单，直接上代码：

#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin(21, 22); // SDA=GPIO21, SCL=GPIO22
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("I2C Scanner Starting...");
}

void loop() {
  byte error, address;
  int deviceCount = 0;

  for (address = 1; address < 127; address++) {
    Wire.beginTransmission(address);
    error = Wire.endTransmission();

    if (error == 0) {
      Serial.print("Found device at 0x");
      if (address < 16) Serial.print("0");
      Serial.print(address, HEX);
      Serial.println(" !");
      deviceCount++;
    }
  }
  if (deviceCount == 0) {
    Serial.println("No I2C devices found.");
  }
  delay(5000);
}

这段代码就是扫描总线上的所有设备。Wire.begin(21, 22)指定了引脚，你也可以换成别的。跑起来后，串口会打印出所有响应地址。SHT30的默认地址是0x44（ADDR引脚接GND）或0x45（接VCC）。

4.3 SHT30驱动，从读到算

SHT30是 Sensirion 家的，精度不错，还带加热功能（防凝露）。驱动它分两步：发命令，读数据。

第一步：发测量命令

SHT30支持多种测量模式。咱们用最常用的“周期采集模式”，命令是0x2C06。发命令的代码：

void sendCommand(uint16_t cmd) {
  Wire.beginTransmission(0x44);
  Wire.write(cmd >> 8);   // 高字节
  Wire.write(cmd & 0xFF);  // 低字节
  Wire.endTransmission();
}

第二步：读数据

发完命令后，等个50ms（手册建议），然后读6个字节：温度高、温度低、CRC、湿度高、湿度低、CRC。CRC校验可选，但建议加上，防止数据被干扰。

bool readData(float &temp, float &hum) {
  Wire.requestFrom(0x44, 6);
  if (Wire.available() != 6) return false;

  uint8_t data[6];
  for (int i = 0; i < 6; i++) {
    data[i] = Wire.read();
  }

  // 计算温度
  uint16_t rawTemp = (data[0] << 8) | data[1];
  temp = -45.0 + 175.0 * rawTemp / 65535.0;

  // 计算湿度
  uint16_t rawHum = (data[3] << 8) | data[4];
  hum = 100.0 * rawHum / 65535.0;

  return true;
}

计算公式是SHT30手册给的。温度范围-40°C到125°C，湿度0%到100%。你想想看，如果读出来温度是-40，那八成是传感器没焊好或者地址错了。

4.4 完整示例：每秒采集一次

把上面代码整合一下，写个完整的Arduino程序：

#include <Wire.h>

#define SHT30_ADDR 0x44

void setup() {
  Wire.begin(21, 22);
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
}

void loop() {
  float temp, hum;

  sendCommand(0x2C06);
  delay(50);

  if (readData(temp, hum)) {
    Serial.print("Temp: ");
    Serial.print(temp, 1);
    Serial.print(" °C, Hum: ");
    Serial.print(hum, 1);
    Serial.println(" %");
  } else {
    Serial.println("Read failed!");
  }

  delay(1000);
}

跑起来后，串口每秒打印一次温湿度。如果显示“Read failed!”，先检查接线，再跑扫描程序确认地址。

4.5 避坑指南

搞I2C这么多年，踩过的坑不少。给你列几个常见的：

• 上拉电阻：别省！ESP32内部上拉只有几十kΩ，总线长了根本拉不动。我一般用4.7kΩ，线长超过30cm就换2.2kΩ。
• 地址冲突：两个设备地址一样？要么改硬件（比如SHT30的ADDR引脚），要么换I2C mux芯片。
• 时钟延展：有些从机处理慢，会拉低SCL让主机等。ESP32的Wire库默认支持，但如果你用其他库，可能得手动处理。
• 电平匹配：ESP32是3.3V，如果接5V的I2C设备，必须加电平转换。我吃过亏，直接烧了一个传感器的IO口。

好了，今天就到这。代码可以直接复制到Arduino IDE里用。有问题？先查接线，再查地址，最后查CRC。嗯，就这样。