2026寒假练 - 基于RP2350B实现OLED数字温度与电压表

内容介绍

一、项目介绍

基于RP2350B微控制器的OLED数字温度与电压表设计。系统集成DS18B20温度传感与电位器电压采集，通过OLED同屏显示数值与条形图，利用按键设置温度阈值并触发声光告警，辅以双位数码管指示工作状态。该设计实现了数据采集、图形化显示与交互控制的有机结合。

1.1 硬件介绍

本系统基于功能强大的RP2350B微控制器设计。RP2350B作为RP2040的升级版，拥有更多的GPIO引脚和更强的处理能力，为外设扩展提供了极大便利。本项目的硬件组成主要围绕一块集成了多种外设的扩展底板构建，具体包括：

主控核心：STEP-RP2350B核心板，利用其丰富的可编程IO（PIO）和ADC通道进行数据采集与控制。
感知单元：
- 温度采集：板载DS18B20数字温度传感器，通过单总线协议读取环境温度。
- 电压采集：板载电位计（电位器）连接至SPI接口的串行ADC，用于模拟电压信号的精确采集。
显示单元：
- 主显示屏：0.96寸 OLED（128x32），采用SPI协议驱动，用于同屏显示温度、电压数值及其对应的条形图。
- 状态显示屏：板载2个7段数码管，通过74HC595移位寄存器驱动，用于显示当前界面或工作模式代号。
警示与交互：
- 音频输出：三极管驱动的蜂鸣器，用于超限报警。
- 灯光指示：板载单色LED，用于告警状态的视觉指示。
- 用户输入：板载轻触按键，用于设置温度报警上限。

1.2 功能概览

本设备实现了对模拟量与数字量的综合采集与反馈，具体功能如下：

多源数据采集：实时读取电位器电压值及DS18B20环境温度值。
同屏图形化显示：在OLED上同时显示温度与电压的具体数值，并绘制对应的条形图（Bar Graph），直观展示模拟量比例。
交互式阈值设定：通过按键可自由设置温度告警的上限值。
分级声光告警：当环境温度超过设定上限时，触发蜂鸣器鸣响，同时点亮LED指示告警状态。
状态机指示：双位数码管实时显示当前的操作页面或工作模式（例如显示“1”代表电压/温度监测主界面，“2”代表阈值设置界面等）。

1.3 设计思路

本项目的设计遵循模块化与分层驱动的原则：

驱动层分离：首先为各外设编写底层驱动，包括DS18B20的单总线时序、SPI协议驱动OLED、通过74HC595间接驱动数码管以及ADC的轮询读取。
核心逻辑层：设计一个状态机来管理不同的工作模式。主循环中不断刷新传感器数据，并根据当前状态（正常显示/设置模式）决定数据的流向与显示内容。
人机交互优化：考虑到OLED屏幕较小，采用数值+条形图结合的方式，相比纯数字显示更直观。数码管用于辅助提示当前状态，避免用户在主屏幕操作时产生混淆。
告警机制：采用轮询比较法，在主循环中持续判断当前温度与设定的阈值关系，一旦触发立即驱动蜂鸣器和LED响应。

二、功能实现

系统软件流程围绕初始化、数据采集、显示刷新及告警判断展开。主循环采用非阻塞式设计，确保各任务实时响应。

2.1 软件流程图

2.2 实现过程

2.2.1 数据采集与处理

电压读取：通过底板上 SPI 接口的 ADC 芯片读取电位计电压。RP2350B 通过软件 SPI 或硬件 SPI 发送读取命令，获取数字量后换算为实际电压值（0-3.3V）。参考现有方案，通过对 raw 值进行计算： voltage = (raw * 3.3) / 4095。
温度读取：采用单总线协议驱动 DS18B20。按照初始化 -> 跳过ROM -> 启动温度转换 -> 等待 -> 读取暂存器的时序进行数据读取。DS18B20 返回的数据为 16 位有符号数，需通过移位拼接并乘以分辨率 0.0625 得到实际温度值。

2.2.2 显示功能实现

OLED 同屏显示：利用 adafruit_ssd1306 库或类似驱动库初始化 128x32 的 OLED。在屏幕上划分区域：上半部分显示文字（Temp: xx.x C 和 Vol: x.xx V），下半部分绘制条形图。条形图长度根据 ADC 值和温度值相对于量程的比例进行像素映射，调用绘图函数绘制实心矩形。
数码管动态扫描：通过两个 74HC595 级联控制双位数码管。利用动态扫描原理，设置极短的刷新周期（如 5ms）交替点亮两个数码管，利用视觉暂留效应实现稳定显示。

2.2.3 告警与交互逻辑

按键设置阈值：在循环中检测按键电平变化并做消抖处理。当按键按下时，系统进入阈值设置状态。此时 OLED 提示输入，数码管闪烁显示当前阈值。再次按下按键确认退出，阈值保存到变量中。
声光报警：定义 PWM 输出引脚驱动蜂鸣器，普通 GPIO 驱动 LED。当温度 > 阈值时，PWM 输出特定频率（如 2kHz）驱动蜂鸣器发声，同时 LED 置高电平点亮。

三、功能展示

在实物调试阶段，系统运行稳定，各项功能均达到设计要求：

上电初始化

OLED 默认显示温度模式界面，数码管显示当前温度值信息。

监测界面

旋转电位器时，OLED 上的电压数值实时变化，下方的电压条形图长度同步伸缩。用手触碰 DS18B20 传感器，温度数值升高，条形图随之增长，显示效果直观生动。

阈值设置

按下按键，数码管切换显示为“2”，OLED 提示当前阈值，进入设置模式。再次按下按键，蜂鸣器发出“嘀”一声确认，保存设置并返回主界面。

告警触发

将温度阈值调低至当前室温以下（或用手加热传感器使其超过阈值），红色 LED 立即点亮，蜂鸣器开始发出间断的蜂鸣声，实现了精确的告警功能。

四、总结

遇到的问题

电位器调整的电压采集不正确，一开始使用开源库来驱动ADS7868读取电压，要么读取的电压始终为0，要么就是读取的结果不正确。在参考了数据手册在 DeepSeek的帮助下才正确读取到了电压值，但实际值为12位的数据不知道是什么原因。

心得体会

本项目基于 RP2350B 成功实现了一款集测量、显示、报警于一体的嵌入式仪表。项目充分利用了 RP2350B 的增强型 IO 能力，通过 SPI 驱动 OLED、通过 74HC595 驱动数码管，并融合了 DS18B20 与 ADC 的数据采集。

最后感谢电子森林推出的 《寒假练》 系列活动，对于我来说是个很好的学习机会，理论结合实践。我们下期活动再见！