一、所选主题和项目介绍
1.1 项目背景
随着楼宇自动化（Building Automation System, BAS）技术的快速发展，环境参数监测已成为智能建筑不可或缺的核心功能之一。温度作为楼宇环境中最重要的环境参数之一，直接影响着人体舒适度、能消耗效率以及设备运行状态。精确、可靠的温度采集系统是实现暖通空调（HVAC）控制、节能优化和舒适度管理的基石。
本项目基于TI最新的LP-MSPM0G5187开发板作为主控单元，结合Sensirion公司的高精度SHT40温湿度传感器，设计了一套具有用户交互功能的温度采集系统。该系统可通过板载按键灵活切换工作模式，通过串口实时输出温湿度数据，非常适用于楼宇自动化场景下的分布式温度监测节点。
1.2 项目目标
本项目旨在实现以下核心目标：
- 精确温度采集：利用SHT40传感器的高精度特性，实现室内环境温度的精确测量，测量精度达到±0.3°C（典型值）。
- 实时数据输出：通过串口通信接口，以可读的格式实时输出温度和湿度数据，便于上位机采集和后续处理。
- 用户交互控制：通过板载按键实现工作模式的切换，用户可选择进入数据采集活跃模式或低功耗空闲模式。
- 状态可视化：通过红绿双色LED指示灯，直观显示当前系统工作模式状态。
- 模块化设计：采用软件I2C模拟实现与传感器的通信，降低对硬件外设的依赖，提高系统的可移植性。
1.3 应用场景
本项目所设计的温度采集系统可广泛应用于以下楼宇自动化场景：
- 办公区域温度监测：在大型办公楼的各个楼层或区域部署温度监测节点，实现分区温度管理。
- 会议室环境监控：实时监测会议室内的温湿度参数，为HVAC系统提供反馈控制依据。
- 数据中心环境监测：对服务器机房等对温度要求较高的区域进行精确监测，及时发现异常温升。
- 住宅智能家居节点：作为智能家居系统的环境感知终端，与其他智能设备联动实现舒适度优化。
- 教学楼与图书馆温控：在教育场所部署，实现根据人流密度自动调节空调参数的功能。
二、硬件介绍
2.1 主控单元：TI LP-MSPM0G5187开发板
LP-MSPM0G5187是TI（Texas Instruments）公司推出的MSPM0系列微控制器开发板之一，搭载了MSPM0G5187微控制器芯片。该芯片基于ARM Cortex-M0+内核，具有出色的能效比和丰富的外设集成，非常适合楼宇自动化等嵌入式应用场景。
本项目使用的主要片上外设包括：
- 通用GPIO接口：用于LED指示灯驱动和按键输入检测，支持输入上拉/下拉配置以及外部中断触发。
- Timer_A模块：配置为定时器模式，产生周期性中断，用于实现2秒间隔的温湿度数据采集调度。
- UART接口：配置为串口通信外设，波特率设为默认配置，用于向上位机发送温湿度数据。
- GPIO模拟I2C：通过软件编程模拟I2C通信协议，实现与SHT40传感器的数据交互。
LP-MSPM0G5187开发板提供了丰富的板上资源，包括：
- 双LED指示灯：红绿双色LED，可通过GPIO直接控制，用于工作状态显示。
- 用户按键：1个可编程用户按键，连接到GPIO，可配置为外部中断触发。
- 引脚扩展排针：提供完整的引脚扩展接口，便于连接外部传感器和执行器。
- 调试接口：集成标准调试器，支持单线调试（SWD）接口。
2.2 感知单元：SHT40传感器
SHT40是Sensirion公司推出的第四代高精度温湿度传感器芯片，属于SHT4x系列的高端型号。该传感器采用了全新的设计和制造工艺，在精度、稳定性和功能特性上都有显著提升。
SHT40采用标准I2C通信接口，支持快速模式（Fast Mode，400kHz）和高速模式（High Speed Mode，1000kHz）。本项目采用100kHz的标准模式，以确保通信可靠性。
传感器响应高精度测量命令（0xFD）后，需要等待典型的85ms测量时间，然后读取6字节的测量数据。数据格式如下：
- 字节0-1：温度原始数据（Big Endian格式）
- 字节2：温度CRC校验码
- 字节3-4：湿度原始数据（Big Endian格式）
- 字节5：湿度CRC校验码
温度计算公式
SHT40输出的温度原始数据为16位无符号整数，需通过以下公式转换为实际温度值：
T(°C) = -45 + 175 × (raw_temp / 65535)
三、方案框图和项目设计思路
系统总体架构
系统功能模块划分
根据系统功能特性，将整个系统划分为以下核心模块：
主控制模块（main函数）
主控制模块负责系统初始化和主循环运行。系统上电后，首先执行各外设模块的初始化配置，包括：
- GPIO引脚初始化
- UART串口初始化
- 定时器Timer_A初始化
- 软件I2C引脚初始化
初始化完成后，系统进入主循环。主循环在正常情况下为空循环，所有功能性操作均通过中断服务程序完成，这种设计可确保系统的实时响应能力，同时降低功耗。
模式切换模块（switch_mode函数）
模式切换模块负责在IDLE和ACTIVE两种工作模式之间进行切换。该模块提供以下功能：
- 更新全局工作模式状态变量
- 控制LED指示灯的亮灭状态
- 通过UART输出当前模式信息
在IDLE模式下，系统仅维持基本运行状态，不进行温湿度数据采集，红灯亮起表示待机状态。在ACTIVE模式下，系统以2秒为周期持续采集并输出温湿度数据，绿灯亮起表示正常工作状态。
SHT40驱动模块（SHT40_readData函数）
SHT40驱动模块实现了与传感器通信的完整协议，包括：
- 软件I2C起始条件生成
- 设备地址发送与ACK检测
- 测量命令发送
- 测量等待时间管理
- 数据读取与CRC校验（校验功能代码中已预留但未强制执行）
- 温度和湿度原始数据的解析与单位转换
该模块采用查询式设计，每次调用将阻塞等待传感器完成测量并返回数据。
UART通信模块
UART通信模块负责格式化并发送数据到上位机，包括：
- UART_sendString：发送字符串（阻塞式）
- UART_sendHex：发送单字节十六进制数据（带空格分隔）
- UART_sendTempHumidity：发送格式化温湿度数据
输出格式设计充分考虑了可读性和可解析性，温度和湿度均以"XX.XX"格式显示。
3.3 项目设计思路
系统设计了IDLE和ACTIVE两种工作模式，这种双模式策略具有以下实际意义：
- 节能考虑：在不需要数据采集时进入IDLE模式，可显著降低系统功耗。
- 灵活性：用户可根据实际需求选择是否进行连续数据采集。
- 状态明确：通过LED直观显示当前工作状态，避免操作混乱。
四、硬件设计
本次项目单独设计的传感器模块，原理图和PCB下：
PCB如下：
实物图如下：
整体的硬件连接如下：
五、软件设计
1 软件流程图
主程序流程图
┌──────────────────────────────────────┐
│ 系统上电 │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 硬件初始化 │
│ · GPIO初始化 │
│ · UART初始化 │
│ · 定时器初始化 │
│ · 软件I2C GPIO初始化 │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 初始状态配置 │
│ · 设置为IDLE模式 │
│ · 红灯亮起 │
│ · 发送系统启动信息 │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 使能中断 │
│ · GPIO中断使能 │
│ · 定时器中断使能 │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 主循环 │
│ (空循环，等待中断) │
└──────────────────────────────────────┘
GPIO中断处理流程图（按键模式切换）
┌──────────────────────────────────────┐
│ GPIO中断触发 │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 延时消抖 (~160ms) │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 再次检测按键状态 │
│ (确认按键确实按下) │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼ ┌────────────────────┐
┌──────────────────────────────────────┤ 继续(保持原状态) │
│ 判断：按键是否仍为低电平？ │ │
└─────────────────┬────────────────────┘ │
│ │
┌────────┴────────┐ │
│ Yes │ No │
▼ ▼ │
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ 执行模式切换 │ │ 忽略本次中断 │
│ switch_mode │ │ (消除抖动) │
└──────┬───────┘ └──────────────┘ │
│ │
▼ │
┌──────────────┐ │
│ 清除中断标志 │ │
└──────────────┘ │
定时器中断处理流程图（数据采集）
┌──────────────────────────────────────┐
│ 定时器中断触发 (1ms) │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ tick_count++ │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 判断：tick_count >= 2000？ │
│ (是否已达到2秒周期) │
└─────────────────┬────────────────────┘
│ │
┌────────┴────────┐ │
│ Yes │ No │
▼ ▼ │
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ tick_count=0 │ │ 中断返回 │ │
└──────┬───────┘ └──────────────┘ │
│ │
▼ │
┌──────────────┐ │
│ 判断当前模式 │ │
└──────┬───────┘ │
│ │
┌────┴────┐ │
│ │ │
┌─┴──┐ ┌──┴──────┐ │
│IDLE│ │ ACTIVE │ │
└─┬──┘ └───┬──────┘ │
│ │ │
▼ ▼ │
┌────┐ ┌──────────────────┐ │
│返回│ │ 调用SHT40_readData│ │
└────┘ └────────┬─────────┘ │
│ │
┌───────┴───────┐ │
│ │ │
▼ ▼ │
┌────────────┐ ┌────────────┐ │
│ 读取成功 │ │ 读取失败 │ │
└─────┬──────┘ └─────┬──────┘ │
│ │ │
▼ │ │
┌────────────┐ │ │
│ UART发送 │ │ │
│ 温湿度数据 │ │ │
└────────────┘ │ │
│ │
┌────┴────┐ │
│ 返回 │ │
└────────┘ │
I2C通信完整流程图
┌──────────────────────────────────────┐
│ I2C_START │
│ SDA_OUT → SDA_HIGH → SCL_HIGH │
│ → SDA_LOW → SCL_LOW │
└──────────────────────────────────────┘
┌──────────────────────────────────────┐
│ 发送设备地址(写) │
│ I2C_SEND_BYTE(SHT40_ADDR<<1) │
└─────────────────┬────────────────────┘
│
┌────────┴────────┐
│ ACK检测结果 │
▼ ▼
┌────────┐ ┌────────┐
│ NACK │ │ ACK │
│(失败) │ │(成功) │
└───┬────┘ └────┬───┘
│ │
▼ ▼
┌───────────────┐ ┌──────────────────┐
│ I2C_STOP返回 │ │ 发送测量命令0xFD │
│ 返回false │ │ I2C_SEND_BYTE │
└───────────────┘ └────────┬─────────┘
│
┌───────┴───────┐
│ ACK检测结果 │
▼ ▼
┌────────┐ ┌────────┐
│ NACK │ │ ACK │
└───┬────┘ └───┬────┘
│ │
▼ ▼
┌────────────┐ ┌────────────┐
│I2C_STOP │ │ I2C_STOP │
│ 返回false │ │ 等待85ms │
└────────────┘ └─────┬──────┘
│
▼
┌──────────────┐
│ I2C_START │
│ (重复起始) │
└─────┬───────┘
│
▼
┌──────────────┐
│发送设备地址 │
│ (读) │
└─────┬───────┘
│
┌────────┴────────┐
│ ACK检测结果 │
▼ ▼
┌────────┐ ┌────────┐
│ NACK │ │ ACK │
└───┬────┘ └───┬────┘
│ │
▼ ▼
┌────────────┐ ┌──────────────┐
│I2C_STOP │ │ 读取6字节数据│
│ 返回false │ │ I2C_RECV_BYTE│
└────────────┘ └──────┬───────┘
│
▼
┌──────────────┐
│ I2C_STOP │
└──────┬───────┘
│
▼
┌──────────────┐
│ 解析原始数据 │
│ 计算温度/湿度│
└──────────────┘
2 关键代码分析
软件I2C核心实现
/* Software I2C 延时 (约100kHz) */
#define I2C_DELAY() delay_cycles(160) /* 约5us @ 32MHz */
软件I2C的时序参数设计非常关键。I2C标准模式要求SCL频率不超过100kHz，每个时钟周期为10μs。本项目在32MHz系统时钟下，通过delay_cycles(160)实现约5μs的半周期延时，确保SCL频率约为100kHz，满足I2C标准模式时序要求。
/* Software I2C 起始信号 */
static void I2C_START(void)
{
I2C_SDA_OUT();
I2C_SDA_HIGH();
I2C_SCL_HIGH();
I2C_DELAY();
I2C_SDA_LOW(); // 在SCL高电平期间拉低SDA
I2C_DELAY();
I2C_SCL_LOW();
}
起始条件时序分析：按照I2C协议规范，起始条件定义为在SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平。上述代码严格遵循此规范，确保主控设备正确发起通信。
/* Software I2C 发送一个字节, 返回ACK (0=ACK, 1=NACK) */
static uint8_t I2C_SEND_BYTE(uint8_t data)
{
uint8_t ack;
uint8_t bit;
I2C_SDA_OUT();
/* 发送8位数据 */
for (bit = 0; bit < 8; bit++) {
if (data & 0x80) {
I2C_SDA_HIGH();
} else {
I2C_SDA_LOW();
}
data <<= 1;
I2C_DELAY();
I2C_SCL_HIGH();
I2C_DELAY();
I2C_SCL_LOW();
I2C_DELAY();
}
/* 读取ACK */
I2C_SDA_IN();
I2C_DELAY();
I2C_SCL_HIGH();
I2C_DELAY();
ack = I2C_READ_SDA(); /* 0=ACK, 1=NACK */
I2C_SCL_LOW();
I2C_DELAY();
return ack;
}
字节发送函数实现了标准的I2C字节发送时序：先设置SDA数据，然后拉高SCL产生时钟脉冲，最后拉低SCL完成一位的传输。循环8次完成一个字节的发送。随后释放SDA线并切换到输入模式，发送第九个时钟脉冲并读取从设备的ACK响应。
SHT40数据读取与解析
/* SHT40读取温湿度数据 */
static bool SHT40_readData(float *temperature, float *humidity)
{
uint8_t rxData[6];
uint16_t raw_temp, raw_hum;
/* 发送START */
I2C_START();
/* 发送设备地址+写 */
if (I2C_SEND_BYTE(SHT40_I2C_ADDR << 1)) {
I2C_STOP();
return false; /* NACK */
}
/* 发送测量命令 */
if (I2C_SEND_BYTE(SHT40_CMD_MEASURE_H)) {
I2C_STOP();
return false; /* NACK */
}
/* 发送STOP */
I2C_STOP();
/* 等待85ms测量时间 */
delay_cycles(DELAY / 2);
/* 发送START */
I2C_START();
/* 发送设备地址+读 */
if (I2C_SEND_BYTE((SHT40_I2C_ADDR << 1) | 0x01)) {
I2C_STOP();
return false; /* NACK */
}
/* 读取6字节数据 */
for (int i = 0; i < 6; i++) {
uint8_t ack = (i < 5) ? 0 : 1; /* 前5字节ACK, 最后1字节NACK */
rxData[i] = I2C_RECV_BYTE(ack);
}
/* 发送STOP */
I2C_STOP();
/* 计算温度: T = -45 + 175 * raw / 65535 */
raw_temp = (rxData[0] << 8) | rxData[1];
*temperature = -45.0f + 175.0f * (float)raw_temp / 65535.0f;
/* 计算湿度: RH = 125 * raw / 65535 */
raw_hum = (rxData[3] << 8) | rxData[4];
*humidity = 125.0f * (float)raw_hum / 65535.0f;
return true;
}
SHT40数据读取函数严格按照传感器数据手册的操作流程实现：
- 发送起始条件：主控设备发起通信
- 发送设备地址（写）：I2C地址为0x44，左移一位后为0x88，末位为0表示写操作
- 发送测量命令：0xFD表示高精度测量模式
- 发送停止条件：完成命令发送后释放总线
- 等待测量完成：SHT40需要约85ms完成测量，本项目使用DELAY/2（约0.5秒）延时，充分满足测量时间要求
- 再次发起通信：发送重复起始条件，准备读取数据
- 发送设备地址（读）：地址仍为0x44，左移一位后为0x88，末位为1表示读操作
- 读取6字节数据：包括温度原始数据（2字节）、温度CRC、温度校验码（1字节未使用）、湿度原始数据（2字节）、湿度CRC（1字节未使用）
- 发送停止条件：完成数据读取
- 数据解析与转换：将原始数据转换为标准单位
按键消抖与模式切换
/* GPIO中断处理函数 */
void GROUP1_IRQHandler(void)
{
uint32_t int_iidx = GPIO_GRP_KEY_INT_IIDX;
(void)int_iidx;
/* 消除按键抖动，延时后再次确认 */
delay_cycles(DELAY / 100);
if (DL_GPIO_readPins(GPIO_GRP_KEY_PORT, GPIO_GRP_KEY_PIN_7_PIN) == 0) {
switch_mode();
}
/* 清除中断标志 */
DL_GPIO_clearInterruptStatus(GPIO_GRP_KEY_PORT, GPIO_GRP_KEY_PIN_7_PIN);
}
按键中断处理体现了良好的消抖处理策略。当检测到GPIO中断触发时，并不立即执行模式切换，而是延时约160ms（DELAY/100，即0.5秒的1/100）后再次确认按键状态。只有在延时后按键仍处于按下状态（低电平）时，才执行模式切换。这种双重确认策略可有效避免按键抖动造成的误触发。
定时采集调度
/* 定时器中断处理函数 - 1ms触发一次 */
void TIMA0_IRQHandler(void)
{
static uint16_t tick_count = 0;
/* 清除定时器中断标志 */
DL_Timer_clearInterruptStatus(TIMER_0_INST, DL_TIMER_INTERRUPT_ZERO_EVENT);
/* 计数到2000次 = 2秒 */
tick_count++;
if (tick_count >= 2000) {
tick_count = 0;
/* 只在活跃模式下读取并上报温湿度 */
if (current_mode == MODE_ACTIVE) {
float temperature, humidity;
if (SHT40_readData(&temperature, &humidity)) {
UART_sendTempHumidity(temperature, humidity);
}
}
}
}
定时器中断服务程序采用分频计数策略实现周期性数据采集。定时器每1ms触发一次中断，中断服务程序对tick_count进行递增操作。当计数达到2000时，即表示已过去约2秒时间，此时清零计数器并执行数据采集。只有在ACTIVE模式下，系统才会调用SHT40读取函数并通过UART发送数据。
六、系统功能展示
工作模式切换操作
系统支持两种工作模式，通过板载按键进行切换：
当系统上电或用户按下按键切换后，系统进入IDLE模式：
- LED状态：红色LED点亮，绿色LED熄灭
- UART输出：System Start - Mode: IDLE 或 Mode: IDLE (Red LED)
- 数据采集：不进行温湿度数据采集
- 功耗状态：处于低功耗待机状态
当用户在IDLE模式下按下按键，系统切换至ACTIVE模式：
- LED状态：绿色LED点亮，红色LED熄灭
- UART输出：Mode: ACTIVE (Green LED)
- 数据采集：每2秒自动采集并发送一次温湿度数据
串口输出示例
相关操作串口输出：
七、设计中遇到的难题和解决方法
本次的功能调试要到的主要问题就是I2C的驱动问题，一直到最后都没有实现硬件I2C功能，那怕只跑的官方例程都没有成功，也不知道具体是什么问题，这个流程都没有什么异常，但是对于标志位的查询就会卡主，最后只能通过GPIO的操作模拟I2C的通信流程实现。
八、心得体会
本项目成功实现了一套基于TI LP-MSPM0G5187开发板和SHT40传感器的温度采集系统，充分体现了嵌入式系统在楼宇自动化领域的应用潜力。系统具备精确温度测量、实时数据输出、用户交互控制等核心功能，代码结构清晰、可读性强、易于扩展。
通过本项目的实践，不仅加深了对嵌入式系统开发的理解，也掌握了软硬件协同设计的核心方法。系统所采用的中断驱动架构、软件I2C模拟、双模式工作策略等设计思路，对于今后的嵌入式开发工作具有重要的参考价值。未来可在本项目基础上，进一步扩展系统功能，如增加无线通信、数据存储、LCD显示等模块，形成更加完整的楼宇环境监测解决方案。
执着的探索
无言的朝圣琪琳六坝