零知开源——STM32F1驱动BMP581压强传感器使用SPI实现ST7789显示的环境监测系统

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(1)项目概述

本文将详细介绍如何在零知标准板上实现BMP581气压传感器与ST7789显示屏的协同工作，重点解决SPI总线冲突问题，并展示环境数据的实时监测显示。实现以下系统功能：

>实时采集温度和气压数据
>计算并显示海拔高度
>在240x320彩色显示屏上直观展示数据

>通过串口输出监测数据

(2)项目难点

当两个SPI设备共享总线时，会产生总线竞争导致通信失败。本文将重点介绍两种解决方案。

(3)解决思路

方案一：将显示屏改为软件SPI驱动，与传感器的硬件SPI物理隔离。

方案二：通过精确控制CS引脚状态，确保同一时间只有一个设备使用SPI总线。

一、硬件准备与连接

1.1硬件清单

组件	型号	数量
主控板	零知标准板	1
气压传感器	BMP581	1
显示屏	ST7789 (240x320)	1
杜邦线	公对公	若干

1.2 接线方案

零知标准板(STM32F103RBT6)	BMP581（硬件SPI）	ST7789（软件SPI）
3.3V	VCC	VCC
GND	GND	GND
10	CS	/
11(MOSI)	SDA	/
12(MISO)	SDO	/
13(SCK)	SCL	/
6	/	CS
2	/	DC
8	/	SDA
7	/	SCL
4	/	RES

1.3 硬件连线图

1.4 接线实物图

二、完整代码实现

采取软件SPI替换ST7789的通信方式解决总线冲突的方案，确保零知IDE包含以下库文件：

SparkFun_BMP581_Arduino_Library.h

Adafruit_GFX.h

Adafruit_ST7789.h

SPI.h

2.1 初始化定义

定义显示屏和BMP581气压传感器驱动的相关参数

// BMP581 SPI通信参数
uint8_t bmp581_cs = 10;  // BMP581 片选引脚
uint32_t clockFrequency = 100000;  // 设置SPI时钟频率

// ST7789 显示屏引脚定义
#define TFT_CS   6  // 设置软件SPI的片选引脚
#define TFT_RST  4   // 显示屏复位引脚
#define TFT_DC   2  // 显示屏数据/控制命令引脚
#define TFT_MOSI 8  // 软件SPI的MOSI引脚
#define TFT_SCLK 7  // 软件SPI的SCK引脚

// 传感器和显示屏的对象创建与初始化
BMP581 pressureSensor;
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

// 定义显示屏参数
#define SCREEN_WIDTH  240
#define SCREEN_HEIGHT 320
#define ST77xx_PURPLE 0x862F
#define VALUE_SIZE    3
#define LABEL_SIZE    1

// 颜色定义
#define BACKGROUND  ST77XX_BLACK
#define TEXT_COLOR  ST77XX_WHITE
#define TEMP_COLOR  ST77xx_PURPLE
#define PRESS_COLOR ST77XX_CYAN
#define ALT_COLOR   ST77XX_GREEN
#define BOX_COLOR   ST77XX_ORANGE

2.2 初始化配置

配置串口通信波特率为115200，ST7789显示屏大小、方向和交互内容显示，开启BMP581的SPI通信连接，绘制显示屏标题和数据内容标签

void setup() {
    // 开启串口监视器并设置波特率为115200
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("BMP581 with ST7789 Display Example");

    // 初始化SPI
    SPI.begin();

    // 初始化显示屏
    tft.init(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);
    tft.setRotation(3);
    tft.fillScreen(BACKGROUND);
    tft.setTextColor(TEXT_COLOR);

    // 初始化BMP581传感器
    while (pressureSensor.beginSPI(bmp581_cs, clockFrequency) != BMP5_OK) {
        Serial.println("Error: BMP581 not connected, check wiring and CS pin!");
        tft.setCursor(10, 10);
        tft.setTextSize(2);
        tft.print("Sensor not found!");
        delay(1000);
        tft.fillScreen(BACKGROUND);
    }

    Serial.println("BMP581 connected!");
    drawStaticElements();
}

2.3 读取传感器数据

loop函数循环获取实时的大气压强和温度数据，并通过经验公式转换为海拔高度数据，将获得的数据实时更新到TFT显示屏界面上

void loop() {
    // 从寄存器获取到数值
    bmp5_sensor_data data = {0, 0};
    int8_t err = pressureSensor.getSensorData(&data);

    if (err == BMP5_OK) {
        // 将气压数据转换以百帕为单位 (1 hPa = 100 Pa)
        float pressure_hPa = data.pressure / 100.0;

        // 使用经验公式计算海拔高度数据
        float altitude = (1013.25 - pressure_hPa) / 12 * 100;

        // 更新屏幕
        updateTextDisplay(data.temperature, pressure_hPa, altitude);

        // 打印串口监视数据
        Serial.print("Temperature (C): ");
        Serial.print(data.temperature);
        Serial.print("tPressure (hPa): ");
        Serial.print(pressure_hPa);
        Serial.print("tAltitude (m): ");
        Serial.println(altitude);
    } else {
        Serial.print("Error getting data from sensor! Error code: ");
        Serial.println(err);
    }

    delay(1000);  // 每秒更新一次数据
}

2.4 UI界面更新

void drawStaticElements() {
  tft.fillScreen(BACKGROUND);
  
  // 绘制标题
  tft.setTextSize(1);
  tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);
  tft.setCursor(SCREEN_WIDTH/2 + 120, 10);
  tft.print("BMP581 SENSOR");
  
  // 绘制温度数据容器
  drawDataBox(30, 10, "TEMPERATURE", "(C)", TEMP_COLOR);
  
  // 绘制气压数据容器
  drawDataBox(30, 90, "PRESSURE", "(hPa)", PRESS_COLOR);
  
  // 绘制海拔数据容器
  drawDataBox(30, 170, "ALTITUDE", "(m)", ALT_COLOR);
}

void drawDataBox(int x, int y, const char* label, const char* unit, uint16_t color) {
    // 绘制数据容器
    tft.drawRoundRect(x, y, SCREEN_WIDTH - 60, 60, 10, BOX_COLOR);

    // 绘制数据标题
    tft.setTextSize(LABEL_SIZE);
    tft.setTextColor(color);
    tft.setCursor(x + 15, y + 10);
    tft.print(label);

    // 绘制数据单位
    tft.setTextSize(LABEL_SIZE - 1);
    tft.setCursor(x + SCREEN_WIDTH - 60 - 40, y + 10);
    tft.print(unit);
}

void updateTextDisplay(float temp, float pressure, float altitude) {
  updateDataValue(30, 10, temp, 1, TEMP_COLOR);  // 更新温度数据
  updateDataValue(30, 90, pressure, 1, PRESS_COLOR);  // 更新气压数据
  updateDataValue(30, 170, altitude, 1, ALT_COLOR);  // 更新海拔数据
}

void updateDataValue(int x, int y, float value, int decimals, uint16_t color) {
    // 清除旧数据
    tft.fillRect(x + 10, y + 30, SCREEN_WIDTH - 80, 25, BACKGROUND);

    // 写入新数据
    tft.setTextSize(VALUE_SIZE);
    tft.setTextColor(color);
    tft.setCursor(x + 15, y + 30);
    tft.print(value, decimals);
}

2.5 项目完整代码获取

通过网盘分享的文链接:
https://pan.baidu.com/s/125lFvyjRd98dkqMkYh0TSA?pwd=d4m4

三、实际效果展示

3.1 显示屏信息解读

成功运行后，显示屏将分为三个区域显示：

温度区：灰色标签，显示摄氏度

气压区：红色标签，显示百帕

海拔区：紫色标签，显示米

3.2 视频演示效果

https://www.bilibili.com/video/BV1MR3tzzEXm/?spm_id_from=333.1387.homepage.video_card.click&vd_source=a31e3d8d8ce008260eee442534c2f63d

将通过传感器获取到的气压值与app海拔仪气压值进行对比

3.3 串口监视器数据

同时，串口监视器将每秒输出一次数据：

四、SPI冲突解决方案详解

4.1 问题现象

当BMP581和ST7789共享硬件SPI总线时：显示屏无法正常显示，传感器数据读取不稳定，系统可能完全无法工作

4.2 根本原因

SPI总线需要独占访问：

两个设备共享MOSI、MISO、SCK信号线

片选(CS)信号控制不足

总线竞争导致数据冲突

4.3 方案一

软件SPI驱动显示屏：将显示屏改为软件SPI驱动，与传感器的硬件SPI物理隔离。

// ST7789使用软件SPI
#define TFT_CS   6  // 显示屏片选
#define TFT_RST  4  // 复位引脚
#define TFT_DC   2  // 数据/命令选择
#define TFT_MOSI 8  // 软件SPI数据引脚
#define TFT_SCLK 7  // 软件SPI时钟引脚

// 创建显示屏对象（使用软件SPI）
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

优势：

完全避免硬件SPI冲突

简化编程逻辑

更稳定的通信表现

灵活的引脚分配

4.4 方案二

共享SPI总线+显式CS控制：通过精确控制CS引脚状态，确保同一时间只有一个设备使用SPI总线。

// BMP581 SPI参数
uint8_t bmp581_cs = 10;  // BMP581芯片选择引脚
uint32_t clockFrequency = 100000;  // BMP581的SPI时钟频率

// ST7789显示屏引脚配置
#define TFT_CS   6  // 显示屏芯片选择引脚（与BMP581不同）

Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);   //使用硬件SPI驱动方式

void setup() {
    // ...其他初始化...
    
    // 初始化CS引脚
    pinMode(TFT_CS, OUTPUT);
    digitalWrite(TFT_CS, HIGH);  // 初始取消选择显示屏
    pinMode(bmp581_cs, OUTPUT);
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 初始取消选择传感器
}

void loop() {
    // 读取传感器数据
    digitalWrite(TFT_CS, HIGH);  // 取消选择显示屏
    err = pressureSensor.getSensorData(&data);
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 取消选择传感器
    
    // 更新显示
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 确保传感器已取消选择
    updateTextDisplay(...);
}

关键点：

通信前确保另一个设备被取消选择

通信后立即取消选择当前设备

初始化时所有CS引脚设为HIGH

软件SPI的MOSI和SCK引脚共用，片选(CS)引脚需要单独设置

五、海拔计算与精度说明

代码中使用简化的海拔计算公式：

float altitude = (1013.25 - pressure_hPa) / 12 * 100;

计算原理

1013.25 hPa：标准海平面气压
气压梯度：每下降12 hPa，海拔升高约100米

精度考虑 ，实际测量中可能存在10-50米的误差，主要因素包括：

当地气象条件变化

温度对气压的影响

传感器本身的测量误差

公式本身的近似性

六、常见问题解决

1.显示屏白屏或花屏

检查RES引脚连接
确认软件SPI引脚配置正确

尝试降低软件SPI速度：

在tft.init()后添加tft.setSPISpeed(10000000)

2.传感器读取失败

检查硬件SPI连接
确保CS引脚配置正确
测量传感器供电电压（应为3.3V）

3.数据显示异常

检查引脚定义是否正确
确认显示屏旋转方向设置合适
验证传感器数据在串口的输出是否正常

七、方案对比与选择建议

特性	方案一（软件SPI）	方案二（硬件SPI+CS控制）
实现难度	简单 ★☆☆	中等 ★★☆
稳定性	高 ★★★	中 ★★☆
性能	中 ★★☆	高 ★★★
资源占用	较高（需要额外引脚）	低（共享SPI引脚）
推荐场景	初学者/快速实现	高性能应用/引脚受限

推荐选择：

对于大多数应用，方案一（软件SPI驱动显示屏） 是更简单可靠的选择

只有在需要高速刷新或引脚资源紧张时才考虑方案二

八、总结

本文详细介绍了在零知增强板上实现BMP581传感器与ST7789显示屏协同工作的完整过程，重点解决了SPI总线冲突问题。关键点包括：

硬件连接：正确连接SPI设备，特别是CS引脚

SPI冲突解决：

推荐方案：使用软件SPI驱动显示屏
备选方案：共享硬件SPI+精确CS控制

数据采集与显示：实时获取环境数据并直观展示

海拔计算：使用简化公式计算海拔高度

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审核编辑 黄宇