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