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(1)項目概述

本文將詳細介紹如何在零知標準板上實現BMP581氣壓傳感器與ST7789顯示屏的協同工作，重點解決SPI總線沖突問題，并展示環境數據的實時監測顯示。實現以下系統功能：

>實時采集溫度和氣壓數據
>計算并顯示海拔高度
>在240x320彩色顯示屏上直觀展示數據

>通過串口輸出監測數據

(2)項目難點

當兩個SPI設備共享總線時，會產生總線競爭導致通信失敗。本文將重點介紹兩種解決方案。

(3)解決思路

方案一：將顯示屏改為軟件SPI驅動，與傳感器的硬件SPI物理隔離。

方案二：通過精確控制CS引腳狀態，確保同一時間只有一個設備使用SPI總線。

一、硬件準備與連接

1.1硬件清單

組件	型號	數量
主控板	零知標準板	1
氣壓傳感器	BMP581	1
顯示屏	ST7789 (240x320)	1
杜邦線	公對公	若干

1.2 接線方案

零知標準板(STM32F103RBT6)	BMP581（硬件SPI）	ST7789（軟件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 硬件連線圖

1.4 接線實物圖

二、完整代碼實現

采取軟件SPI替換ST7789的通信方式解決總線沖突的方案，確保零知IDE包含以下庫文件：

SparkFun_BMP581_Arduino_Library.h

Adafruit_GFX.h

Adafruit_ST7789.h

SPI.h

2.1 初始化定義

定義顯示屏和BMP581氣壓傳感器驅動的相關參數

// BMP581 SPI通信參數
uint8_t bmp581_cs = 10;  // BMP581 片選引腳
uint32_t clockFrequency = 100000;  // 設置SPI時鐘頻率

// ST7789 顯示屏引腳定義
#define TFT_CS   6  // 設置軟件SPI的片選引腳
#define TFT_RST  4   // 顯示屏復位引腳
#define TFT_DC   2  // 顯示屏數據/控制命令引腳
#define TFT_MOSI 8  // 軟件SPI的MOSI引腳
#define TFT_SCLK 7  // 軟件SPI的SCK引腳

// 傳感器和顯示屏的對象創建與初始化
BMP581 pressureSensor;
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

// 定義顯示屏參數
#define SCREEN_WIDTH  240
#define SCREEN_HEIGHT 320
#define ST77xx_PURPLE 0x862F
#define VALUE_SIZE    3
#define LABEL_SIZE    1

// 顏色定義
#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為115200，ST7789顯示屏大小、方向和交互內容顯示，開啟BMP581的SPI通信連接，繪制顯示屏標題和數據內容標簽

void setup() {
    // 開啟串口監視器并設置波特率為115200
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("BMP581 with ST7789 Display Example");

    // 初始化SPI
    SPI.begin();

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

    // 初始化BMP581傳感器
    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 讀取傳感器數據

loop函數循環獲取實時的大氣壓強和溫度數據，并通過經驗公式轉換為海拔高度數據，將獲得的數據實時更新到TFT顯示屏界面上

void loop() {
    // 從寄存器獲取到數值
    bmp5_sensor_data data = {0, 0};
    int8_t err = pressureSensor.getSensorData(&data);

    if (err == BMP5_OK) {
        // 將氣壓數據轉換以百帕為單位 (1 hPa = 100 Pa)
        float pressure_hPa = data.pressure / 100.0;

        // 使用經驗公式計算海拔高度數據
        float altitude = (1013.25 - pressure_hPa) / 12 * 100;

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

        // 打印串口監視數據
        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);  // 每秒更新一次數據
}

2.4 UI界面更新

void drawStaticElements() {
  tft.fillScreen(BACKGROUND);
  
  // 繪制標題
  tft.setTextSize(1);
  tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);
  tft.setCursor(SCREEN_WIDTH/2 + 120, 10);
  tft.print("BMP581 SENSOR");
  
  // 繪制溫度數據容器
  drawDataBox(30, 10, "TEMPERATURE", "(C)", TEMP_COLOR);
  
  // 繪制氣壓數據容器
  drawDataBox(30, 90, "PRESSURE", "(hPa)", PRESS_COLOR);
  
  // 繪制海拔數據容器
  drawDataBox(30, 170, "ALTITUDE", "(m)", ALT_COLOR);
}

void drawDataBox(int x, int y, const char* label, const char* unit, uint16_t color) {
    // 繪制數據容器
    tft.drawRoundRect(x, y, SCREEN_WIDTH - 60, 60, 10, BOX_COLOR);

    // 繪制數據標題
    tft.setTextSize(LABEL_SIZE);
    tft.setTextColor(color);
    tft.setCursor(x + 15, y + 10);
    tft.print(label);

    // 繪制數據單位
    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);  // 更新溫度數據
  updateDataValue(30, 90, pressure, 1, PRESS_COLOR);  // 更新氣壓數據
  updateDataValue(30, 170, altitude, 1, ALT_COLOR);  // 更新海拔數據
}

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

    // 寫入新數據
    tft.setTextSize(VALUE_SIZE);
    tft.setTextColor(color);
    tft.setCursor(x + 15, y + 30);
    tft.print(value, decimals);
}

2.5 項目完整代碼獲取

通過網盤分享的文鏈接:
https://pan.baidu.com/s/125lFvyjRd98dkqMkYh0TSA?pwd=d4m4

三、實際效果展示

3.1 顯示屏信息解讀

成功運行后，顯示屏將分為三個區域顯示：

溫度區：灰色標簽，顯示攝氏度

氣壓區：紅色標簽，顯示百帕

海拔區：紫色標簽，顯示米

3.2 視頻演示效果

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

將通過傳感器獲取到的氣壓值與app海拔儀氣壓值進行對比

3.3 串口監視器數據

同時，串口監視器將每秒輸出一次數據：

四、SPI沖突解決方案詳解

4.1 問題現象

當BMP581和ST7789共享硬件SPI總線時：顯示屏無法正常顯示，傳感器數據讀取不穩定，系統可能完全無法工作

4.2 根本原因

SPI總線需要獨占訪問：

兩個設備共享MOSI、MISO、SCK信號線

片選(CS)信號控制不足

總線競爭導致數據沖突

4.3 方案一

軟件SPI驅動顯示屏：將顯示屏改為軟件SPI驅動，與傳感器的硬件SPI物理隔離。

// ST7789使用軟件SPI
#define TFT_CS   6  // 顯示屏片選
#define TFT_RST  4  // 復位引腳
#define TFT_DC   2  // 數據/命令選擇
#define TFT_MOSI 8  // 軟件SPI數據引腳
#define TFT_SCLK 7  // 軟件SPI時鐘引腳

// 創建顯示屏對象（使用軟件SPI）
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_MOSI, TFT_SCLK, TFT_RST);

優勢：

完全避免硬件SPI沖突

簡化編程邏輯

更穩定的通信表現

靈活的引腳分配

4.4 方案二

共享SPI總線+顯式CS控制：通過精確控制CS引腳狀態，確保同一時間只有一個設備使用SPI總線。

// BMP581 SPI參數
uint8_t bmp581_cs = 10;  // BMP581芯片選擇引腳
uint32_t clockFrequency = 100000;  // BMP581的SPI時鐘頻率

// ST7789顯示屏引腳配置
#define TFT_CS   6  // 顯示屏芯片選擇引腳（與BMP581不同）

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

void setup() {
    // ...其他初始化...
    
    // 初始化CS引腳
    pinMode(TFT_CS, OUTPUT);
    digitalWrite(TFT_CS, HIGH);  // 初始取消選擇顯示屏
    pinMode(bmp581_cs, OUTPUT);
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 初始取消選擇傳感器
}

void loop() {
    // 讀取傳感器數據
    digitalWrite(TFT_CS, HIGH);  // 取消選擇顯示屏
    err = pressureSensor.getSensorData(&data);
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 取消選擇傳感器
    
    // 更新顯示
    digitalWrite(bmp581_cs, HIGH);  // 確保傳感器已取消選擇
    updateTextDisplay(...);
}

關鍵點：

通信前確保另一個設備被取消選擇

通信后立即取消選擇當前設備

初始化時所有CS引腳設為HIGH

軟件SPI的MOSI和SCK引腳共用，片選(CS)引腳需要單獨設置

五、海拔計算與精度說明

代碼中使用簡化的海拔計算公式：

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

計算原理

1013.25 hPa：標準海平面氣壓
氣壓梯度：每下降12 hPa，海拔升高約100米

精度考慮 ，實際測量中可能存在10-50米的誤差，主要因素包括：

當地氣象條件變化

溫度對氣壓的影響

傳感器本身的測量誤差

公式本身的近似性

六、常見問題解決

1.顯示屏白屏或花屏

檢查RES引腳連接
確認軟件SPI引腳配置正確

嘗試降低軟件SPI速度：

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

2.傳感器讀取失敗

檢查硬件SPI連接
確保CS引腳配置正確
測量傳感器供電電壓（應為3.3V）

3.數據顯示異常

檢查引腳定義是否正確
確認顯示屏旋轉方向設置合適
驗證傳感器數據在串口的輸出是否正常

七、方案對比與選擇建議

特性	方案一（軟件SPI）	方案二（硬件SPI+CS控制）
實現難度	簡單 ★☆☆	中等 ★★☆
穩定性	高 ★★★	中 ★★☆
性能	中 ★★☆	高 ★★★
資源占用	較高（需要額外引腳）	低（共享SPI引腳）
推薦場景	初學者/快速實現	高性能應用/引腳受限

推薦選擇：

對于大多數應用，方案一（軟件SPI驅動顯示屏） 是更簡單可靠的選擇

只有在需要高速刷新或引腳資源緊張時才考慮方案二

八、總結

本文詳細介紹了在零知增強板上實現BMP581傳感器與ST7789顯示屏協同工作的完整過程，重點解決了SPI總線沖突問題。關鍵點包括：

硬件連接：正確連接SPI設備，特別是CS引腳

SPI沖突解決：

推薦方案：使用軟件SPI驅動顯示屏
備選方案：共享硬件SPI+精確CS控制

數據采集與顯示：實時獲取環境數據并直觀展示

海拔計算：使用簡化公式計算海拔高度

通過本教程，開發者可以快速構建穩定可靠的環境監測系統，更多零知開發教程：

審核編輯 黃宇