内容介绍

项目简介

这次使用 NXP FRDM-MCXN236 开发板、Sensirion SEN66 环境传感器和一块 1.8 英寸 ST7735 LCD，制作了一台桌面空气质量监测仪。

设备可以同时读取并显示：

PM1.0、PM2.5、PM4.0、PM10
相对湿度和温度
VOC 指数和 NOx 指数
CO2 浓度

LCD 包含两个界面：

总览界面：显示运行计时和九项实时测量值；
曲线界面：显示最近 106 个有效采样点的温度、湿度变化。

按下开发板上的 SW2 可以在两个界面之间切换。全部测量值还会通过板载虚拟串口输出，便于记录和后续分析。

硬件组成与连线

NXP FRDM-MCXN236开发板

FRDM-MCXN236是恩智浦（NXP）推出的一款紧凑型、可扩展的高性价比开发板。该开发板的核心是一颗 MCX N236 微控制器，搭载 Arm Cortex-M33 内核，主频最高可达 150 MHz，能够高效地将工作负载分配到模拟与数字外设上。其接口分配如下。

Sensirion SEN66 环境传感器

这是 Sensirion 的一款环境传感器，可以检测 PH 值、温湿度、氮氧化合物、CO2 等信息

其控制方式采用的 IIC，接口引脚定义如数据手册中所示

因此其与开发板的连接方式如下表所示

SEN66 端子	FRDM-MCXN236	MCXN236 功能	说明
VDD	3V3	—	—
GND	GND	—	必须与开发板和 LCD 共地
SDA	P1_16	LPI2C5 / FC5_P0	I2C 数据线
SCL	P1_17	LPI2C5 / FC5_P1	I2C 时钟线

1.8 寸 LCD 屏幕

该 1.8寸 LCD 屏幕使用的驱动芯片为 ST7735S，采用的通信方式为 SPI，由于 ST7735S 只接收显示数据，因此本项目不使用 MISO。LCD 驱动采用 RGB565 色彩格式，设置 LPSPI3 时钟为 12 MHz。LCD 屏幕与开发板连接方式如下表所示。

ST7735 端子	FRDM-MCXN236	软件定义	作用
VCC	3V3	—	LCD 逻辑与显示供电
GND	GND	—	公共地
SCL	P1_0	LPSPI3 时钟	SPI 时钟
SDA	P1_1	LPSPI3 数据输出	MCU 向 LCD 发送数据
CS	P1_3	GPIO1_3	片选，低电平有效
RST	P4_13	GPIO4_13	LCD 硬件复位
DC	P5_7	GPIO5_7	命令/数据选择
BLK	背光控制端	—	背光，默认连接3V3，因此不接引脚

串口与按键

串口用于记录当前获取到的环境参数，串口参数设置为 115200 8N1，电脑连接开发板 USB 口之后，可以通过虚拟串口查看数据；按键用于实现页面切换

功能	引脚/通道	说明
调试串口	LPUART4，P1_8/P1_9	FRDM 板载调试器已连接到 USB 虚拟串口，通常无需再接 USB-UART
页面切换	SW2，P0_20	板载按键，内部上拉，按下时为低电平

最终硬件连接如下图所示

系统结构

硬件连接与数据流

连接方式和数据传递如下图所示

软件启动流程

主循环与页面切换

SEN66 通信原理

I2C 地址与命令

SEN66 的 7 位 I2C 地址为 0x6B，本项目使用 100kbit/s 标准模式。

程序使用的主要命令如下：

命令	数值	作用
Start Measurement	`0x0021`	启动连续测量
Data Ready	`0x0202`	查询新数据是否就绪
Read Measurements	`0x0300`	读取全部测量结果

发送命令时先发送高字节，再发送低字节：

static status_t SEN66_WriteCommand(uint16_t command)
{
    uint8_t commandBytes[2] = {
        (uint8_t)(command >> 8U),
        (uint8_t)command
    };

    return SEN66_Transfer(kLPI2C_Write,
                          commandBytes,
                          sizeof(commandBytes));
}

返回数据与 CRC-8

一次完整测量返回 27 字节，对应 9 个测量量。SEN66 每两个数据字节附带一个 CRC：

MSB | LSB | CRC | MSB | LSB | CRC | ...

CRC-8 的初始值为 0xFF，多项式为 0x31。驱动逐个检查 3 字节数据组，任何一组校验失败都会放弃本次数据：

static uint8_t SEN66_CalculateCrc(const uint8_t *data)
{
    uint8_t crc = 0xFFU;

    for (uint8_t byte = 0U; byte < 2U; byte++)
    {
        crc ^= data[byte];
        for (uint8_t bit = 0U; bit < 8U; bit++)
        {
            crc = (crc & 0x80U) != 0U ?
                  (uint8_t)((crc << 1U) ^ 0x31U) :
                  (uint8_t)(crc << 1U);
        }
    }
    return crc;
}

数据解析与单位换算

驱动把每个大端序数据字还原为 16 位整数：

static uint16_t SEN66_GetWord(const uint8_t *data,
                              uint32_t wordIndex)
{
    uint32_t offset = wordIndex * 3U;
    return (uint16_t)(((uint16_t)data[offset] << 8U) |
                      data[offset + 1U]);
}

原始值的换算关系为：

数据	换算方法	显示精度
PM1.0/2.5/4.0/10	原始值 ÷ 10	1 位小数，µg/m³
湿度	原始值 ÷ 100	2 位小数，%RH
温度	原始值 ÷ 200	2 位小数，°C
VOC/NOx 指数	原始值 ÷ 10	1 位小数
CO2	不缩放	ppm

代码没有使用浮点格式化，而是通过整数除法和余数生成小数文本。这样可以减小嵌入式程序体积，也避免引入浮点 printf。

传感器用 0xFFFF 或 0x7FFF 表示未知值，界面与串口统一输出 ---，避免把无效值误认为真实测量结果。

I2C 总线恢复与故障诊断

I2C 从设备如果在 MCU 复位期间仍处于发送状态，可能持续拉低 SDA，导致控制器一直认为总线忙。

初始化 LPI2C5 之前，程序暂时把 SDA/SCL 切换为 GPIO：

释放 SDA 和 SCL；
当 SDA 为低时，最多输出 9 个 SCL 脉冲；
生成一次 STOP 条件；
恢复 FC5 引脚复用并初始化 LPI2C5。

for (uint32_t pulse = 0U;
     pulse < 9U && GPIO_PinRead(GPIO1, SEN66_SDA_PIN) == 0U;
     pulse++)
{
    SEN66_DrivePinLow(SEN66_SCL_PIN);
    SEN66_BitDelay();
    SEN66_ReleasePin(SEN66_SCL_PIN);
    SEN66_BitDelay();
}

启动失败时，程序还会扫描 0x08 到 0x77，并通过 GPIO 模拟地址阶段再次检查 0x6B 的 ACK。

ST7735 显示原理与刷新优化

基本写屏流程

ST7735 使用 RGB565，每个像素占 2 字节。写入矩形区域时依次发送：

CASET (0x2A)：设置列范围；
RASET (0x2B)：设置行范围；
RAMWR (0x2C)：写入像素数据。

字符块传输

字符串传输使用的方法是先在 RAM 中生成一个字符的 RGB565 像素块，再一次性发送：

ST7735_SetAddressWindow(x, y, width, height);
ST7735_WriteData(pixels, pixelIndex);

这样每个字符由多次小传输变为一次块传输，界面刷新速度明显提升。

只刷新数据区域

如果每秒调用 FillScreen() 再重画所有内容，人眼会看到明显闪烁。当前策略是：

切换页面时才绘制整页静态框架；
总览页的标签只绘制一次；
时间和测量值使用等宽背景字符直接覆盖原位置；
曲线页每次只绘制“上一个点到最新点”的两条线段；
106 点满后只清除曲线内部，不清除标题和坐标轴。

固定宽度数值区域的实现如下：

static void DrawValue(uint16_t y, const char *value)
{
    char paddedValue[14];

    snprintf(paddedValue, sizeof(paddedValue), "%-13s", value);
    ST7735_DrawString(44U, y, paddedValue,
                      ST7735_COLOR_WHITE,
                      ST7735_COLOR_BLACK,
                      1U);
}

双页面与温湿度曲线

SW2 消抖

SW2 接在 P0_20，生成的 pin mux 已将其配置为上拉输入，因此按下时读到低电平。

程序每 100 ms 轮询一次，并要求电平稳定 30 ms 才确认状态变化。函数只在“稳定松开 → 稳定按下”时返回一次事件，长按不会连续切页。

if ((rawPressed != stablePressed) &&
    ((now - changedAt) >= 30U))
{
    stablePressed = rawPressed;
    return stablePressed;
}

历史数据缓存

程序使用两个 106 点数组保存原始温度和湿度：

static int16_t g_temperatureHistory[106];
static int16_t g_humidityHistory[106];

坐标映射

曲线区域温度范围设置为 -10～50 °C，湿度范围设置为 0～100 %RH。

屏幕 Y 坐标向下增大，因此换算公式需要反向：

screenY = bottom -
          (value - minimum) * (bottom - top) /
          (maximum - minimum);

温度使用绿色，湿度使用青色。相邻采样点通过 Bresenham 直线算法连接，避免浮点计算。

运行计时与主循环

顶部 HH:MM:SS 是设备本次上电后的运行计时，模拟 RTC 的功能。

SysTick 每 1 ms 进入一次中断：

void SysTick_Handler(void)
{
    g_rtcMilliseconds++;
}

显示时将毫秒数换算为时、分、秒。只有秒值变化时才重画时间字符。

主循环的逻辑为：

检查 SW2 并切换页面
        ↓
查询 SEN66 Data Ready
        ↓
读取 27 字节并校验 CRC
        ↓
换算并更新当前页面
        ↓
通过 UART 输出格式化数值

实现效果

数据显示和运行时间显示界面

温湿度变化曲线界面

心得体会

本次活动让我对 NXP 系列的 MCU 的开发有了更深的理解，包括工具配置、SDK的查看和调用，进一步熟练了对类似项目的开发流程。