一、项目介绍

本项目实现了一个基于树莓派RP2040的温度检测器。通过一个核心板外接其他模块，使用IIC协议的oled和单总线的DS18B20，以及蓝牙模块HC-05，再结合核心板上的WS2812B灯组，从而实现一个简单的温度检测系统。

二、项目设计思路（含设计框图）

（在介绍之前，我原先是想参照本次寒假硬禾的树莓派pico，设计一个核心板和一个扩展板，用WS2812B做一个类似时钟那样的项目，但是因为调试和设计等问题，导致了扩展板报废了报废情况后面会说，突然想到我还有四个灯，于是退而求其次，做了这么一个小系统。）

硬件部分：

1. 单片机选用规定的RP2040芯片，56引脚且QFN封装（焊接使用的锡膏，涂在板子上，固定好芯片，热风枪吹化，烙铁拖一下即可）
2. 参考了官方的手册，且为了符合核心板需求，没有拉出全部的引脚，如GP24等完全没有进行处理
3. 基于核心板添加了一些东西，如reset按键，同时添加了四个ws2812b的灯组
4. 屏幕部分选择了外接一个IIC协议的OLED模块，以及一个ds18b20的单总线温度传感器。
5. 外加了一个HC05模块，可以把数据实时显示在手机上。
6. 核心板实物测试过程比较简单，拿到板子后，从芯片开始焊接，可以拿手机开微距看引脚情况，然后优先芯片等器件，再焊接其他的阻容元件，最后连接typec到电脑看看有没有u盘弹出来就行了，然后去官网下载uf2固件，给他拖到u盘里面，基本上就配置成功。

软件部分：

在项目中，由于功能较为简单，使用的资源并不多，毕竟onewire方式的除了供电接地，只需要一个IO口就可以实现数据传输，然后oled的显示。因为是IIC协议，所以只需要一个SCK和一个SDA就足够了，hc05也比较简单，配置一个新的串口用于传输数据就行了，还有就是ws2812b核心板自带，总结一下，大致思路及操作如下。

1. 环境配置：先声明，本人平时用过stm32、ch32、esp32等c语言编程的单片机，以及有过一定的fpga经历，学过python，但是完全没使用过micropython，虽然我知道这个是基于c改的，但是我还是想尝试一下这种对新手比较友好的；首先在官网下载thonny，（配置过程网上随便一大把，很简单，不展示了）
2. 准备：首先要导入库，因为github上等很多地方，都有现成的库，所以要先导入两个库，一个是SSD1306的库，用于驱动oled显示的，还有一个是ds18b20的单总线onewire和ds18x20，其中后两个在插件里面就可以直接配置，ssd1306只需要网上下载一下，导入树莓派就可以了。
3. 运行流程：首先由DS18B20获取采样的温度，并且将这个温度存储在一个浮点型的变量中，随后对oled的显示操作，使其显示这个变量的值，同时串口向hc05发送温度的值，然后手机端接收到hc05接受到的温度，并且显示在手机上，然后此时对温度进行判断，得到判断结果，最终把结果输出在oled上，并且由ws2812显示出来。
4. 单独部分代码解析和总体调试解析（见下面）。
5. 补充一下，hc05蓝牙，我的配置是波特率115200，然后这个模块刚开始的时候一般要AT模式重置一下配置（如果你是新买的），如果是自己的，只要改代码的部分就行了，新的一般是长按按键，然后插电（已经连接好一个usbttl了，记得切换38400），接着照着下面的来自己去配置就行了，一般随意一个串口助手就行。

    

   AT指令的波特率38400，命令后面记得加==回车==
   
   发送AT,返回OK表示执行AT指令正常
   AT+ROLE=0           //0表示主模式,1表示从模式,2表示回环模式
   AT+NAME="BLUENAME"  //配置蓝牙模块名称，也可以不打引号，返回OK
   AT+PSWD="1234"        //设置蓝牙配对码
   /*这里设置 自动连接工作模式的波特率,也就是通信的当蓝牙接收发送数据模式的波特率
   我们现在是AT模式下波特率只能是38400,这个改不了*/
   AT+UART=115200,0,0 //波特率115200，一个停止位，不进行校验
   AT+RESET            //重启模块,可以看到LED等以0.5s间隔闪烁，说明是进入了透传模式
   
   AT+VERSION? //查看版本信息
   AT+ORGL //恢复默认状态
   AT+ADDR? //查看蓝牙地址
   AT+PSWD? //查看配对码
   AT+UART? //查看串口参数
   
   

6. （SSD1306的py文件下载）记得上传到pico里面，不然会报错

main代码;

import machine, onewire, ds18x20, time,utime

from ssd1306 import SSD1306_I2C
from machine import Pin, I2C
from time import sleep

import array
import rp2
#这个部分是HC05的串口部分
uart = machine.UART(0, baudrate=115200, tx=machine.Pin(16), rx=machine.Pin(17))
print(uart)
     
#这个部分是ws2812b
led_count = 4  # 灯珠数量
PIN_NUM = 23  # 连接灯带的引脚
brightness = 1.0  # 亮度

@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,
             autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1).side(0)[T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero").side(1)[T1 - 1]
    jmp("bitloop").side(1)[T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop().side(0)[T2 - 1]
    wrap()

state_machine = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(PIN_NUM))
state_machine.active(1)

pixel_array = array.array("I", [0 for _ in range(led_count)])

def update_pix(brightness_input=brightness):
    dimmer_array = array.array("I", [0 for _ in range(led_count)])
    for ii, cc in enumerate(pixel_array):
        r = int(((cc >> 8) & 0xFF) * brightness_input)
        g = int(((cc >> 16) & 0xFF) * brightness_input)
        b = int((cc & 0xFF) * brightness_input)
        dimmer_array[ii] = (g << 16) + (r << 8) + b
    state_machine.put(dimmer_array, 8)
    time.sleep_ms(10)

def set_24bit(ii, color):
    pixel_array[ii] = (color[1] << 16) + (color[0] << 8) + color[2]
def green_judge():#温度区间判断
    
    if TEMP>=35 and TEMP<100:
                set_24bit(3, (255,0,0))  # 设置当前位置为红色
                print('warningA')
                oled.text("warning",0,20)
    elif TEMP>=30 and TEMP<35:
                set_24bit(2, (255,0,255))  # 设置当前位置为紫色
                print('warningB')
                oled.text("cautious",0,20)
    elif TEMP>=25 and TEMP<30:
                set_24bit(3, (0,255,0))  # 设置当前位置为绿色
                print('warningC')
                oled.text("normal",0,20)
    else:
#                 set_24bit(3, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
                print('CLOSE')
                oled.text("CLOSE",0,20)
    update_pix()
    time.sleep(0.1)  # 等待时间
    
print('WS2812B OVER')

#这个部分是ds18b20温度传感器配置
ds_pin=machine.Pin(4) #将传感器连接到GO4 这里为：4
ds_sensor = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(ds_pin)) #创建onewire总线 引脚4（GO4）
roms = ds_sensor.scan() #扫描总线上的设备
print('DS18B20 Loading: ', roms)#加载

#这个部分是IIColed的配置
i2c = I2C(1, scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=200000)#Grove - OLED Display 0.96"，六七号引脚
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
print('IIC OVER')
 
while True:
    
    ds_sensor.convert_temp() #获取采样温度
    time.sleep_ms(750)#延时
    for rom in roms:
        print(ds_sensor.read_temp(rom)) #转换得到温度
        
    TEMP = ds_sensor.read_temp(rom)
    time.sleep(2)
    oled.fill(0)#clear
    oled.text("temp is:"+str(TEMP),0,0)
    uart.write(str(TEMP))
    
    set_24bit(3, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
    set_24bit(2, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
    set_24bit(1, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
    set_24bit(0, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
    green_judge()
    oled.show()
    #sleep(0.5)

SSD1306.py：

# MicroPython SSD1306 OLED driver, I2C and SPI interfaces

from micropython import const
import framebuf


# register definitions
SET_CONTRAST = const(0x81)
SET_ENTIRE_ON = const(0xA4)
SET_NORM_INV = const(0xA6)
SET_DISP = const(0xAE)
SET_MEM_ADDR = const(0x20)
SET_COL_ADDR = const(0x21)
SET_PAGE_ADDR = const(0x22)
SET_DISP_START_LINE = const(0x40)
SET_SEG_REMAP = const(0xA0)
SET_MUX_RATIO = const(0xA8)
SET_COM_OUT_DIR = const(0xC0)
SET_DISP_OFFSET = const(0xD3)
SET_COM_PIN_CFG = const(0xDA)
SET_DISP_CLK_DIV = const(0xD5)
SET_PRECHARGE = const(0xD9)
SET_VCOM_DESEL = const(0xDB)
SET_CHARGE_PUMP = const(0x8D)

# Subclassing FrameBuffer provides support for graphics primitives
# http://docs.micropython.org/en/latest/pyboard/library/framebuf.html
class SSD1306(framebuf.FrameBuffer):
    def __init__(self, width, height, external_vcc):
        self.width = width
        self.height = height
        self.external_vcc = external_vcc
        self.pages = self.height // 8
        self.buffer = bytearray(self.pages * self.width)
        super().__init__(self.buffer, self.width, self.height, framebuf.MONO_VLSB)
        self.init_display()

    def init_display(self):
        for cmd in (
            SET_DISP | 0x00,  # off
            # address setting
            SET_MEM_ADDR,
            0x00,  # horizontal
            # resolution and layout
            SET_DISP_START_LINE | 0x00,
            SET_SEG_REMAP | 0x01,  # column addr 127 mapped to SEG0
            SET_MUX_RATIO,
            self.height - 1,
            SET_COM_OUT_DIR | 0x08,  # scan from COM[N] to COM0
            SET_DISP_OFFSET,
            0x00,
            SET_COM_PIN_CFG,
            0x02 if self.width > 2 * self.height else 0x12,
            # timing and driving scheme
            SET_DISP_CLK_DIV,
            0x80,
            SET_PRECHARGE,
            0x22 if self.external_vcc else 0xF1,
            SET_VCOM_DESEL,
            0x30,  # 0.83*Vcc
            # display
            SET_CONTRAST,
            0xFF,  # maximum
            SET_ENTIRE_ON,  # output follows RAM contents
            SET_NORM_INV,  # not inverted
            # charge pump
            SET_CHARGE_PUMP,
            0x10 if self.external_vcc else 0x14,
            SET_DISP | 0x01,
        ):  # on
            self.write_cmd(cmd)
        self.fill(0)
        self.show()

    def poweroff(self):
        self.write_cmd(SET_DISP | 0x00)

    def poweron(self):
        self.write_cmd(SET_DISP | 0x01)

    def contrast(self, contrast):
        self.write_cmd(SET_CONTRAST)
        self.write_cmd(contrast)

    def invert(self, invert):
        self.write_cmd(SET_NORM_INV | (invert & 1))

    def show(self):
        x0 = 0
        x1 = self.width - 1
        if self.width == 64:
            # displays with width of 64 pixels are shifted by 32
            x0 += 32
            x1 += 32
        self.write_cmd(SET_COL_ADDR)
        self.write_cmd(x0)
        self.write_cmd(x1)
        self.write_cmd(SET_PAGE_ADDR)
        self.write_cmd(0)
        self.write_cmd(self.pages - 1)
        self.write_data(self.buffer)


class SSD1306_I2C(SSD1306):
    def __init__(self, width, height, i2c, addr=0x3C, external_vcc=False):
        self.i2c = i2c
        self.addr = addr
        self.temp = bytearray(2)
        self.write_list = [b"\x40", None]  # Co=0, D/C#=1
        super().__init__(width, height, external_vcc)

    def write_cmd(self, cmd):
        self.temp[0] = 0x80  # Co=1, D/C#=0
        self.temp[1] = cmd
        self.i2c.writeto(self.addr, self.temp)

    def write_data(self, buf):
        self.write_list[1] = buf
        self.i2c.writevto(self.addr, self.write_list)


class SSD1306_SPI(SSD1306):
    def __init__(self, width, height, spi, dc, res, cs, external_vcc=False):
        self.rate = 10 * 1024 * 1024
        dc.init(dc.OUT, value=0)
        res.init(res.OUT, value=0)
        cs.init(cs.OUT, value=1)
        self.spi = spi
        self.dc = dc
        self.res = res
        self.cs = cs
        import time

        self.res(1)
        time.sleep_ms(1)
        self.res(0)
        time.sleep_ms(10)
        self.res(1)
        super().__init__(width, height, external_vcc)

    def write_cmd(self, cmd):
        self.spi.init(baudrate=self.rate, polarity=0, phase=0)
        self.cs(1)
        self.dc(0)
        self.cs(0)
        self.spi.write(bytearray([cmd]))
        self.cs(1)

    def write_data(self, buf):
        self.spi.init(baudrate=self.rate, polarity=0, phase=0)
        self.cs(1)
        self.dc(1)
        self.cs(0)
        self.spi.write(buf)
        self.cs(1)

三、搜集素材的思路

首先本人没用过树莓派，所以想着自己画一个核心板玩玩，又可以学习pcb设计，还可以不用特意花钱去买一个树莓派，但是看着官方的手册看着看着，想画w，又觉得那个wifi功能没必要，直接外接一个模块就ok了，然后突然想起来寒假的训练营，欸嘿，这个我比较中意，还带更多的灯，没有扩展板的时候也能玩玩（没玩过ws2812），所以就基于这个做了一些改动，因为我想加一下logo，又不想太拥挤，然后就把灯拉到了一边，重新做了一下布局。

四、画原理图、PCB制板过程中遇到的问题，以及解决方法

本人平时全做的软件编程，极少接触pcb设计，干过最多的也是用立创画一些小模块、基础核心板，还有一些ADDA电路，所以本次kicad所碰到的问题还是很多的（大部分都是不熟练导致），尤其是7.0版本兼容问题等等。

1. 错误一，7.0新版本的问题KICAD要使用pwr——flag连接
2. 错误二，总线问题。也是因为新版本，要给总线标注标签
3. 错误三，更新自建库中的pico的GND时，双向改电源输入，然后因为sch原理图没更新pico符号，导致报错（记得更新）
4. 错误四，原理图更新PCB的时候，有一些外部导入的库没有给引脚编号。
5. 绘制PCB的问题，主要是DRC查出来的，有个花焊盘最小辐条数目，这个如果不是1的话，（或不对GND等软件检测到的地方进行处理，使其为2），会报错，要修改一下
6. 第二个，第一次使用KICAD，并不知道嘉立创的机制，嘉立创的钻孔层对KICAD生成的文件有要求，普通的drill是不行的，要生成gerber文件才ok（打板的时候出了问题，是我无知了）。
7. 所有的封装库和符号库都是自建的，有很多资料来源于SnapEDA（我的库大多从这下载）

五、实现结果展示（调试过程中遇到什么问题）

除了展示部分，然后我也会在这展示软硬件编程调试的问题。

总体图片+核心板正反面pcb+扩展板

展示部分：

1. 温度大于25°且小于30°，实时显示温度，且显示在oled上，该温度下提醒“normal”,且显示绿灯，同时蓝牙手机调试器也可实时接收温度。
2. 同1，变动为温度处于30-35时，温度提醒“cautious”，显示紫色灯
3. 同1，变动为大于35°，温度提醒“warning”，显示红色灯
4. 蓝牙实时接收温度，与oled和串口调试打印结果同步

1. 5.然后是四个状态，分别是close，normal，cautious，warning（PS，拍照的时候因为室温25度多，然后我就把值改成27了，小小变一下，影响不大。）

硬件调试问题：

硬件焊接问题，这个问题比较严重，我在焊接结束后，点亮了led，第二天测试的时候，突然识别不到串口了，然后长按boot页弹不出u盘：

以下是测试过程：

1. 首先我怀疑晶振没起振，然后用示波器测试了一下看了看波形，发现波形是12Mhz完美正弦波，pass
2. 然后我觉得是typec接口焊接问题，然后测试了一下引脚，发现没问题，但是以防万一我重新焊接了一次，然后没解决，pass。
3. 接着经过群友提醒，我去测了一下flash，然后发现可能有点问题，因为我这个封装画错了，把芯片引脚折了一下，发现换了一个flash后也没好，pass
4. 最后犹豫不决，只能换芯片，芯片换了一下，发现还是没好，然后我就不知道什么情况了。
5. 因为晚上实验室关门，就没没调试成功，第二天去调试，结果发现突然连成功了，然后我突然意识到了可能是我那个扩展坞的连接不稳定，然后我把昨天的flash和rp2040换回来了，测试了一下，还真是连接不稳定。

总之，以上就是我的一个调试过程，虽然原因有点搞笑。

第二个（未解决）：

我把核心板接到扩展板上面之后，发现两个板的pwr灯都不亮了，而且电脑也连接不到pico了，然后我就开始测电源电路，但是后面测着发现导通不是问题，二极管焊接也不是问题，然后我怀疑是一个三极管的引脚错了，事实证明我的封装画错了，但是我飞线的时候飞失误了，不小心加热太久，焊盘废了，然后就不了了之了，后续有时间会重新焊接一块新的重新调试一下，（感觉可能设计的时候没考虑供电问题？我也不清楚）因为pcb设计我还是小白，还望各位大佬赐教。文件中会上传我的所有kicad设计文件。

软件调试问题：

1. 想让oled显示变量的值的时候，因为没有转换类型，报错了，后发现是该函数没注意，只需要对变量加个str使其转换成字符即可。oled.text("temp is:"+str(TEMP),0,0)
2. 在温度跳变的过程中，由于没有关闭其他的位置，导致两个灯，即25-30和30-35的灯一起亮了，所以在该函数执行前，添加了这段代码，用于关闭所有位置。后续的灯才可以单独亮

       set_24bit(3, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
       set_24bit(2, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
       set_24bit(1, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭
       set_24bit(0, (0, 0, 0))  # 其他位置关闭

3. oled.show()放在了green_judge()的前面，因为warning提醒放在了green函数里面，所以不显示，这个应该放在后面。(低级错误)
4. 3问题的测试方法，只需要在green_judge的if语句加一下中断或者直接printf打印，看串口上的数据就可以测试代码卡在哪里了，从而得到原因。

六、在芯片设计过程中，遇到什么难题以及解决方法，或未来针对这个芯片的扩展项目

1. 布局布线，因为不熟悉kicad，导致我刚开始的线宽和通孔的尺寸很大，然后就导致了布线卡住了，只能重新画，后面发现尺寸没改过来，改完尺寸后重新画，然后成功布线。
2. 这次我想做的很简单，就是个核心板，加上个扩展板，简单点就是实现一个灯光时钟，未来我肯定是要修好扩展板的，然后用麦克风去采集信号，2040采集到AD信号，做一个FFT，然后把处理完的频谱图显示在屏幕上，实现一个音频的旋律跳动，然后我再带个灯效，实现一个效果。
3. 蓝牙部分其实可以使用那个数据结构包，做一个UI界面，只要写一个函数，把数据流头部分尾部分处理一下，然后再把要接收的数据放到14个里面，做一个处理就可以实现一个复杂的UI界面，这个没做，但是要做的话效果肯定会更好。
4. ps：3的教程，这个是C和stm32编的，主要可以学习思路，详细教程见蓝牙调试器 接收处理 hc-05蓝牙上传数据
5. 基于上述内容，其实完全可以做一个音乐频谱律动的屏幕，不仅仅oled显示，手机也可也显示。

七、芯片的优势与局限

优势：

1. 高性价比：RP2040芯片的价格相对较低，适合于各种成本敏感的应用。
2. 高性能：RP2040采用双核ARM Cortex-M0+处理器，主频高达133MHz，具有强大的计算和处理能力。
3. 大容量内存：RP2040芯片具有264KB的SRAM，足够存储大量的数据和程序代码。
4. 多种外设接口：RP2040芯片支持多种常用的外设接口，包括SPI、I2C、UART等，方便与其他设备进行通信和连接。
5. 丰富的GPIO：RP2040芯片提供了26个通用IO引脚，可用于连接和控制各种外部设备。
6. 低功耗：RP2040芯片在低功耗模式下具有较低的功耗，适合电池供电的应用场景。

局限性：

1. 处理能力限制：RP2040芯片是一款低功耗微控制器，其处理能力相对于高性能处理器（如桌面计算机或嵌入式系统）有一定的限制。它适用于较为简单的任务和轻量级应用，对于复杂的计算或高性能需求，可能需要选择更强大的处理器。

2. 外围设备限制：RP2040芯片集成了一些常用的外围设备接口，如GPIO、SPI、I2C和UART等，但其数量和功能有限，尤其是对比其他的高级mcu。如果需要更多的外围设备接口或特定功能的支持，可能需要外部扩展模块或使用其他芯片。

3. 缺乏操作系统生态系统：尽管RP2040芯片可以运行一些操作系统，但与通用计算平台相比，其操作系统生态系统相对较小。这意味着可能无法获得广泛的操作系统支持、大量的第三方库和开发工具，以及成熟的开发社区。

八、原理图/PCB图（放在项目附件）

包括扩展板的pcb图也有，这个是参照课程画的，可以直接根据课程来

附件里面只能放两张，放了核心板的，还有一个扩展板的详细见文件

这是大概的截图，扩展板图片：

九、可编译下载的代码（放在项目的附件，用于验证）

代码注释都有解释了

全部完整资源见百度网盘链接：

https://pan.baidu.com/s/1oOZWd77pzrMHWMBkDvFWYA?pwd=6666 
提取码：6666

链接：https://pan.baidu.com/s/1oOZWd77pzrMHWMBkDvFWYA?pwd=6666 提取码：6666

我不确定压缩完后的放在附件里面的文件是否可以正常使用