用纳芯微传感器芯片制作的温湿度计、气压计、高度计和解压摆件

内容介绍

硬件介绍：

WeDesign第6期活动提供了4款来自纳芯微的传感器：分别是温度传感器NST112D-CWLR、温湿度传感器NSHT30、压力传感器NSPAS3、角度传感器NSM3013。外加一个带屏幕的十二指神探，使用的是rp2040的主控芯片。

任务选择：

一次拿到4个传感器，就想着把他们都跑起来，学习一下传感器的使用，也练习一下阅读传感器的相关文档。所以基本上任务2、任务3、任务4都有做了一些。

硬件制作：

1、绘制电路图，是温度传感器NST112D-CWLR、温湿度传感器NSHT30这两个传感器使用的是IIC通讯方式，并且是3.3V供电，参考着芯片的手册，测量范围都是-40~125℃，用来测量室温绰绰有余。外围电路非常简单。虽然十二指神探已经有IIC的上拉电阻了，为了以后的拓展性，给每个芯片还是安排了额外的上拉电阻。然后与十二指神探的SDA(IO20)、SCL(IO21)管脚相连。NSHT30还有额外的两个管脚，ALERT和nRESET，这里和十二指神探的IO22、IO23连接，没有留意这两个管脚的功能，给后边埋下了隐患。

压力传感器NSPAS3、角度传感器NSM3013这两个传感器查看文档，是使用5V供电，并且都是使用电压输出。这里就产生了个问题，十二指神探的ADC是测量0~3.3V的电压，这里的5V输出电压，明显就不适用了，所以额外增加两个电阻，进行分压。将0~5V的输出电压映射到3.3V内。压力传感器NSPAS3、角度传感器NSM3013这两个传感器的电路图和封装图官方有提供，但是需要注册才能下载。于是偷懒，随便找了个相同封装的芯片来绘制电路图。外围电路参考着官方文档，使用官方推荐的配置进行设计。

在绘制压力传感器NSPAS3、角度传感器NSM3013这两个传感器时，犯了个大错。没有仔细看十二指神探的电路图，错误地将这两个传感器的测量管脚接到了十二指神探的IO24、IO25脚，正好错过了ADC的测量管脚，直到打板焊完电路才发现，最终使用跳线方式解决。

2、绘制PCB。为节约打板费用，将3颗传感器都放置在一个PCB板子上。两个温度计传感器，在PCB上做了镂空处理，减少PCB的温度传导。角度传感器NSM3013周边增加了螺丝孔，用来固定电机。每个传感器都额外引出焊盘，方便后期将传感器部分单独割下来使用。

3、焊接。这里边有个温度传感器NST112D-CWLR，真的是小啊！但是好处在于这颗芯片背面植了锡，降低了点点难度。这是自己做的挑战度最高的一次焊接了。这里我使用锡焊膏加电熨斗方式焊接。

问题1：第一次焊接完成，使用IIC扫描方式读取设备，很遗憾只读到一个IIC地址，NSHT30没有读到。于是我又用电熨斗将NSHT30拆下来重新焊接，折腾了许久，成功地将NST112D也搞掉了。NST112D搞掉了好麻烦，正面的丝印一旦遇到焊油，就根本无法看清了。又是一个正方形结构，无法判断安装方向。就这样废了一颗NST112D芯片。最后取了一个新的NST112D和NSHT30，极其费力地重新焊上去，虽然还是扫描不到NSHT30的地址，但是总觉着自己焊接没有问题。

次日，冷静下来仔细检查，终于发现问题了。之前绘制电路图时，NSHT30的nRESET管脚，我是连接了十二指神探的IO22，这个管脚文档中有介绍，低电平有效。所以NSHT30工作时需要设置高电平，就这个疏忽，折腾了好久，还搞毁了两颗芯片。将22管脚拉高后，成功读取到了芯片的IIC地址。

问题2：压力传感器、角度传感器使用AD去读取。编程读取IO24、IO25脚的电压值，直接导致电脑跳出USB口故障，仔细去查看十二指神探的说明，才发现完美错过了ADC的管脚。无奈只能通过跳线解决。将排母对应的线割掉，然后压力传感器接到了IO26，角度传感器接到了IO28。

软件实现：

软件使用Vscode+platformio，使用arduino编程。使用了lvgl8.4.0，界面设计使用了GUI-Guider。

1、按键输入。由于有4个传感器，传感器NST112D-CWLR和NSHT30都有测量温度功能，所以讲他俩放在一个页面上。角度传感器和压力传感器各自单独放置一页。使用lvgl的tableview控件进行显示，设计了三个页面，轮流切换。十二指神探显示屏不具备触摸屏功能，所以这里将拨轮作为输入拨轮左右拨动时可以选择不同的页面展示。这里使用了“OneButton”库。

OneButton enterButton(KEYOK, true);
OneButton prevButtton(KEYL, true);
OneButton nextButton(KEYR, true);

SHTSensor sht;
/*Initialize your keypad*/
static void keypad_init(void)
{
    // pinMode(KEYA, INPUT_PULLUP);
    // pinMode(KEYB, INPUT_PULLUP);
    pinMode(KEYL, INPUT_PULLUP);
    pinMode(KEYOK, INPUT_PULLUP);
    pinMode(KEYR, INPUT_PULLUP);
    enterButton.attachClick([]()
                            { ENTER_BUTTON = true; });
    prevButtton.attachClick([]()
                            { PREV_BUTTON = true; });
    nextButton.attachClick([]()
                           { NEXT_BUTTON = true; });
    // Serial.println("keypad init");
}

2、读取温湿度传感器NSHT30。这里使用了arduino-sht的库，参考着库的例程，还是很容易读取到NSHT30的温度、湿度数据的。这里额外需要注意NSHT30的nRESET管脚需要拉高。

void setup()
{
    pinMode(22, OUTPUT);
    digitalWrite(22, HIGH);
    Wire.begin();
    analogReadResolution(16);           //调整ADC分辨率为16位
    Serial.begin(115200);
    keypad_init();
    sht.init();
    sht.setAccuracy(SHTSensor::SHT_ACCURACY_MEDIUM); // only supported by SHT3x
    Lvgl_Init();
}

3、读取温度传感器NST112D-CWLR。这颗传感器尺寸太小了，但是焊好后，读取还是挺容易的。

// 读取nst112温度
float readTemperatureC()
{
    float temp;
    Wire.beginTransmission(NTS112_ADDRESS);
    Wire.write(0x00);
    Wire.endTransmission();
    Wire.requestFrom(NTS112_ADDRESS, (uint8_t)2);
    uint16_t t = Wire.read();
    temp = (float)t;
    t = Wire.read();
    temp += (float)t / 256.00;
    Wire.endTransmission();
    return temp;
}

参考着官方的设计指南文档，这颗芯片可以贴着手腕测量身体体温，并提供了测量公式。使用这个公式，可以结合环境温度，共同测量出身体的温度，测量了一下，身体温度36.3，感觉挺准的。

// 根据环温和人体皮肤的温度，计算出人体核心的温度
        TEMP_Core = 0.0336 * TEMP_Skin * TEMP_Skin - 0.546 * TEMP_Skin + 1.7082 * TEMP_Envir - 0.0514 * TEMP_Envir * TEMP_Skin + 17.626;
        return TEMP_Core;

但是统计了一下，感觉这个测量公式只是降低了这个传感器的权重，测量值从31度到36度，体温变化也就1度多点，感觉不太可靠。

4、角度传感器。角度传感器 NSM3013A-Q1SPR 使用了14 位线性 DAC 模拟量输出。这里为了妥协压力传感器，程序中的ADC统一设置为16位分辨率。这个角度传感器通过感知磁铁磁力线来获得角度信息。硬件上设计了一个电机支架，电机的轴上粘着一颗径向磁铁， NSM3013A可以实时获得电机旋转的角度。有点点缺憾，这里使用的AD方式读取电机的角度，没有中断，所以对电机旋转的圈数计算有局限性，当过高速度旋转时，就会出现记不准现象。ADC读取到的数值为16位精度，所以首先转换成电压值：mgValue * 3.3 / 65535.0 。因为有电阻分压，两颗电阻分别是6.8k和11k。测量的电压值按分压电阻还原回去就需要除以 11/(11+6.8)=0.617977528 最后将这个电压值，映射到360度的范围上。

   // 处理磁力计 将磁力计映射到0~359度 角度上
    angel = ((float)mgValue * 3.3 / 65535.0 / 0.617977528) * 360.0 / 5.0;
    if (oldangel == 1000)
        oldangel = angel; // 首次测量
    snprintf(strbuf, 15, "%d", (int)angel);
    lv_arc_set_value(guider_ui.screen_arc_angle, (int)angel);
    lv_label_set_text(guider_ui.screen_label_angle, strbuf);
    // 计算两次角度差值，如果有突变，就旋转了1圈
    if (oldangel - (int)angel > 240)
    {
        cicle++;
    }
    if (oldangel - (int)angel < -240)
    {
        cicle--;
    }
    snprintf(strbuf, 15, "%d", cicle);
    lv_label_set_text(guider_ui.screen_label_circle, strbuf);
    oldangel = angel;

5、压力传感器。压力传感器NSPAS3官方资料很少，而且全都是英文的。为了找这个传感器的输出分辨率，查看了文档好久，都没能找到。最后在一张图中找到标注为16位DAC输出。

仔细阅读这份文档，还获得了，如何从测量的电压转换为大气压的公式。

于是一番编程计算，获取了当前的大气压。和角度传感器一样，使用了电阻分压，计算出真实电压后，套入上边的公式，就可以计算出当前的大气压了。再参考气压-位势高度公式，可以计算出当前的海拔高度。

    paValue = analogRead(PAPIN); // 读取气压计
    // LV_LOG_USER("%d   %d \n", mgValue, paValue);
    // 将气压读取到的值放入数组中，并计算平均值
    pressval = getAvgPressure(paValue);
    pressval = (((pressval) * 3.3 / 65535.0 / 0.617977528 / 5.0) - (-0.008095)) / 0.008095; // 换算成当前气压值
    snprintf(strbuf, 15, "%.1fkPa", pressval);
    // LV_LOG_USER("%s \n", strbuf);
    lv_label_set_text(guider_ui.screen_label_pa_val, strbuf);
    // 计算当前海拔高度
    // hightval = Hypsometric(pressval, temp1 < temp2 ? temp1 : temp2);
    hightval = Hypsometric(pressval, temp1);
    // snprintf(strbuf, 15, "%.1fm", hightval);
    snprintf(strbuf, 15, "%dm", (int)hightval);
    lv_label_set_text(guider_ui.screen_label_hight_val, strbuf); // 海拔

很可惜，读取到的气压值波动挺大的，导致海拔数据也是上下乱窜。观察数据，采用均值滤波法剔除气压波动，使用200组数据取均值，得到的气压值基本准确，但是海拔数据还是波动的厉害。

// 处理气压值，使用数组 并返回平均值
float getAvgPressure(uint16_t pressure)
{
    praval[pra_index] = pressure;
    pra_index++;
    if (pra_index >= PRANUM)
    {
        pra_index = 0;
    }
    uint32_t sum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < PRANUM; i++)
    {
        sum += praval[i];
    }
    return (float)sum / (float)PRANUM;
}


// Hypsometric算法计算海拔高度
/// CurrentPressure:当前大气压<
/// CurrentTemperature:当前温度
float Hypsometric(float CurrentPressure, float CurrentTemperature)
{
    return (float)(pow((PRESSURE / CurrentPressure), (float)1.0 / 5.257) - 1.0) * (CurrentTemperature + 273.15) / 0.0065;
}