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RP2040实战：用MicroPython驱动内置温度传感器，实现图形化温度计与报警系统

发表于昨天 05:28 | 查看: 4| 回复: 0

在嵌入式学习中，“看得见的反馈”往往是最好的学习动力。本项目基于树莓派 RP2040 微控制器，使用 MicroPython 编写程序，实现了一个图形化温度计 + 阈值报警系统：不仅可以在 LCD 屏上实时显示芯片温度，还能通过摇杆/按键灵活设置报警阈值。当温度超过设定值时，界面颜色变化并触发蜂鸣器报警。

整个项目完整覆盖了 ADC 采样、LCD 图形绘制、PWM 蜂鸣器控制、人机交互设计 等多个核心知识点，非常适合作为 RP2040 和 MicroPython 的综合练手项目。下面将从实现思路、关键代码到效果展示，带你完整复盘这个项目的设计过程。

任务要求

在LCD屏上显示一个图形化的温度计，并实时显示当前的温度（通过RP2040内部的温度传感器测量）；
可以通过摇杆或按键设定报警温度阈值；
可以对芯片稍微加温，使温度超过设定的阈值，温度图示颜色变红，且蜂鸣器发出报警声音；
给芯片降温到阈值以下，温度传感器颜色变绿，蜂鸣器停止报警。

环境配置

thonny
作为官方推荐的开发软件，Thonny界面简洁，基础功能齐全，简单易上手。安装教程网上较多，此处不再赘述。
树莓派RP2040平台
项目基于特定开发板实现，其核心为RP2040芯片，并集成了丰富的周边设备接口。

下图展示了基于RP2040设计的掌上游戏机套件原理图，涵盖了电源、USB、显示、按键等完整模块，有助于理解硬件连接关系。

RP2040掌上游戏机套件电路原理图

下图则清晰地展示了以RP2040为核心的系统框图，直观呈现了微控制器与LCD屏幕、摇杆按键、蜂鸣器、传感器等外设的连接方式。

基于RP2040的系统框图

程序实现

程序均使用MicroPython编写。作为一次实战，代码力求清晰易懂，便于学习和修改。

1. 显示屏的使用

首先需要准备st7789的驱动库。这里选择了一个注释较详尽的老版本库，方便理解。相关代码文件可在项目附件中下载。

在Pico的文件系统中新建一个名为fonts的文件夹，将字体文件vga1_16x32.py和vga2_8x8.py放入。然后，将主驱动文件st7789.py上传到Pico，与fonts文件夹同级存放。

项目文件结构截图

使用方式如下：首先进行初始化配置（本例基于特定开发板，其他板卡引脚请参考对应原理图）。

import uos
import machine
import st7789 as st7789
from fonts import vga2_8x8 as font1
from fonts import vga1_16x32 as font2
import random
import framebuf
image_file0 = "/lib/logo.bin" #图片文件地址
st7789_res = 0#定义res引脚
st7789_dc  = 1#定义dc引脚
disp_width = 240#设置显示屏的宽度
disp_height = 240#设置显示屏的高度
CENTER_Y = int(disp_width/2)#定义Y轴的中位点
CENTER_X = int(disp_height/2)#定义X轴的中位点
print(uos.uname())#返回包含有关底层机器和/或其操作系统的信息的元组
spi_sck=machine.Pin(2)#定义SPI的SCK引脚
spi_tx=machine.Pin(3)#定义SPI的MOSI引脚
spi0=machine.SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)#初始化spi0
print(spi0)#输出实际的SPI速率可能会低于波特率输出实际的SPI速率可能会低于设置的波特率
display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                         reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                         dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                         xstart=0, ystart=0, rotation=0)#初始化我们的显示屏幕，包含了起始坐标的位置、屏幕显示的方向
display.fill(st7789.BLACK)

屏幕填充：

display.fill(st7789.BLACK)
"""
定义：fill(self, color):
参数：
    color：颜色，具体可以查看st7789.py文件，就在文件的开头，这里举几个        例子：BLACK，BLUE,RED。。。
注意：
    很多时候我都用它来刷屏，比如更改设置的时候，要改太多。但是可能会出现屏幕闪烁的问题，有利有弊
"""

画点：

pixel(100, 100, st7789.RED)
"""
定义：pixel(self, x, y, color):
参数：
    x：横坐标
    y：纵坐标
    color：点的颜色
注意:

"""

画线：

display.line(0, 0, 100, 100, st7789.RED)
"""
定义：line(self, x0, y0, x1, y1, color):
参数：
    x0：起点横坐标
    y0：起点纵坐标
    x1：终点横坐标
    y1：终点纵坐标
    color：线的颜色
注意：
    这个函数默认画点是连续的，不会跨着像素点画，这样画的线效果好，但是不可避免的有画的慢的问题，特是在
    micropython这样运行速度慢的程序里表现的非常明显。
"""

写字：

oled.text(font1, "VPP:", 120, 120)
"""
定义：text(self, font, text, x0, y0, color=WHITE, background=BLACK):
参数：
    font：使用的字体
    text：需要打印的字符串
    x0：起点的横坐标
    y0：起点的纵坐标
    color：字体颜色，默认白色
    BLACK：背景颜色，默认黑色
注意:
    无。
"""

2. machine库

下面介绍项目中使用到的外设，由于比较基础，这里只贴出关键的使用代码示例。

ADC（用于读取摇杆位置）

#摇杆的初始化
Joy_x = machine.ADC(29)
Joy_y = machine.ADC(28)
Joy_x.read_u16()#读取ADC的值，返回16位数，对应的是摇杆现在的位置的坐标

按键

#A,B两个按键的初始化
button_B = machine.Pin(5,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
button_A = machine.Pin(6,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
#判断按键是否按下来调整我们的温度的阈值
if button_A.value() == 0 :
    utime.sleep(0.05)#按键延时确保长按触发阈值温度调节的功能
    while button_A.value() == 0:

PWM（用于控制蜂鸣器）

buz = machine.PWM(machine.Pin(23))#初始化蜂鸣器
#在温度超过阈值的时候蜂鸣器的行为
buz.freq(1000)#设置蜂鸣器的音调
buz.duty_u16(520)#设置蜂鸣器的音量值越高声音越大

3. 温度读取与显示

RP2040芯片内部集成了温度传感器，通过ADC通道4读取。

read = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor
temp = 27 - (read - 0.706) / 0.001721
display.text(font1, "{:.2f}".format(temp), 64, 80)#屏幕输出温度
display.text(font1, "{:.2f}".format(thre), 64, 110)#屏幕输出阈值

4. 温度图像化显示

在LCD上绘制温度计图形，温度值用填充柱表示。

display.fill_circle(120, 207, 25, color)#圆心的坐标(120,207)
if temp < temp0 :
    display.fill_rect(106, 179-round(temp0), 29, round(temp0-temp), st7789.WHITE)
display.fill_rect(106, 181-round(temp), 29, 5+round(temp), color)

5. 阈值报警触发

比较当前温度与设定阈值，触发声光报警。

if temp>thre :
    color = st7789.RED
    buz.freq(1000)#设置蜂鸣器的音调
    buz.duty_u16(520)#设置蜂鸣器的音量值越高声音越大
else :
    color = st7789.GREEN
    buz.duty_u16(0)

6. 通过滑块调节阈值

使用摇杆和按键配合，实现一个图形化滑块来设置报警阈值。

if button_A.value() == 0 :
    utime.sleep(0.05)#按键延时确保长按触发阈值温度调节的功能
    while button_A.value() == 0:
        thre_temp = round( 60+(Joy_x.read_u16()-32768)/546)
        print (thre_temp)
        display.fill_rect(slider_x,slider_y,9,9,st7789.WHITE)
        display.hline(slider_x,slider_y+4,9,st7789.BLACK)
        slider_x=56+thre_temp
        display.fill_rect(slider_x,slider_y,9,9,st7789.RED)
        display.text(font1, "{:.2f}".format(thre_temp), 64, 110)
    thre=thre_temp

7. 屏幕显示动画

实现温度下降时，温度柱的“回落”动画效果。

if temp < temp0 :
    display.fill_rect(106, 179-round(temp0), 29, round(temp0-temp), st7789.WHITE)

8. 整体实现与效果

将以上所有模块整合，便构成了完整的图形化温度监测系统。主循环持续读取温度、更新显示、检查报警条件并处理用户输入。

下图为系统运行时的实拍效果，屏幕上清晰显示了当前温度、设定阈值以及图形化的温度计。

RP2040温度计项目运行效果图

完整的main.py代码如下，已添加详细注释：

import uos
import machine
import st7789 as st7789
from fonts import vga2_8x8 as font1
from fonts import vga1_16x32 as font2
import random
import framebuf
import utime
import math
image_file0 = "/温度计.bin" #图片文件地址
image_file1 = "/logo.bin" 
st7789_res = 0#定义res引脚
st7789_dc  = 1#定义dc引脚
disp_width = 240#设置显示屏的宽度
disp_height = 240#设置显示屏的高度
CENTER_Y = int(disp_width/2)#定义Y轴的中位点
CENTER_X = int(disp_height/2)#定义X轴的中位点
color = st7789.GREEN
thre = 60 #阈值报警温度默认为60°也就是滑块中间的位置
slider_x = 116
slider_y = 7
buz = machine.PWM(machine.Pin(23))
temp0 = -1
#print(uos.uname())#返回包含有关底层机器和/或其操作系统的信息的元组
spi_sck=machine.Pin(2)#定义SPI的SCK引脚
spi_tx=machine.Pin(3)#定义SPI的MOSI引脚
spi0=machine.SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)#初始化spi0
print(spi0)#输出实际的SPI速率可能会低于波特率输出实际的SPI速率可能会低于设置的波特率
display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                         reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                         dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                         xstart=0, ystart=0, rotation=0)#初始化我们的显示屏幕，包含了起始坐标的位置、屏幕显示的方向
#按键和摇杆的初始化
Joy_x = machine.ADC(29)
Joy_y = machine.ADC(28)
button_B = machine.Pin(5,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
button_A = machine.Pin(6,machine.Pin.IN,machine.Pin.PULL_UP)
#温度计的换算系数
sensor_temp = machine.ADC(4)
conversion_factor = 3.3/(65535)
#第一步显示我们本次活动的活动主办方
f_image = open(image_file1, 'rb')#以只读的形式打开官方logo的二进制文件
for column in range(1,240):
    buf=f_image.read(480)#一次读取一行的数据
    display.blit_buffer(buf, 1, column, 240, 1)
utime.sleep(0.5)
#*******打开我们的图片作为背景********
f_image = open(image_file0, 'rb')
for i in range(1,240):
    buf=f_image.read(480)
    display.blit_buffer(buf, 1, i, 240, 1)
display.text(font1, "Temp :", 15, 80)
display.text(font1, "Thre :", 15, 110)
m = 0
for i in range(13):
    display.text(font1, str(m), 145, 178-i*10)
    m=m+10
display.fill_rect(116, 7, 9, 9, st7789.RED)#初始化滑块位于条的中间
utime.sleep(0.5)
#**********温度计主体显示部分*********
while True:
    #这里是温度的读取显示的部分
    read = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor
    temp = 27 - (read - 0.706) / 0.001721
    display.text(font1, "{:.2f}".format(temp), 64, 80)#屏幕输出温度
    display.text(font1, "{:.2f}".format(thre), 64, 110)#屏幕输出阈值
    #这里是温度在图像上面显示的部分
    display.fill_circle(120, 207, 25, color)#圆心的坐标(120,207)
    if temp < temp0 :
        display.fill_rect(106, 179-round(temp0), 29, round(temp0-temp), st7789.WHITE)
    display.fill_rect(106, 181-round(temp), 29, 5+round(temp), color)
    #这里是温度超过阈值之后触发的情形
    if temp>thre :
        color = st7789.RED
        buz.freq(1000)#设置蜂鸣器的音调
        buz.duty_u16(520)#设置蜂鸣器的音量值越高声音越大
    else :
        color = st7789.GREEN
        buz.duty_u16(0)

    #这里是滑块的设置，滑块大小设置为9*9
    if button_A.value() == 0 :
        utime.sleep(0.05)#按键延时确保长按触发阈值温度调节的功能
        while button_A.value() == 0:
            thre_temp = round( 60+(Joy_x.read_u16()-32768)/546)
            print (thre_temp)
            display.fill_rect(slider_x,slider_y,9,9,st7789.WHITE)
            display.hline(slider_x,slider_y+4,9,st7789.BLACK)
            slider_x=56+thre_temp
            display.fill_rect(slider_x,slider_y,9,9,st7789.RED)
            display.text(font1, "{:.2f}".format(thre_temp), 64, 110)
        thre=thre_temp

    utime.sleep(0.5)
    temp0 = temp

总结与建议

本项目展示了如何使用MicroPython快速开发一个交互式嵌入式应用。对于初学者而言，MicroPython的优势在于语法简单、库丰富，能让人更专注于逻辑实现而非底层细节。

建议在学习过程中，经常查阅MicroPython官方文档。初期可以通读一遍建立整体印象，之后在项目中则可以将其作为工具书，随用随查，实践出真知。

通过这个项目，我们综合运用了ADC采样、屏幕绘图、PWM输出等计算机基础外设功能，完成了从传感器数据采集到图形化人机交互的完整链条。希望这个案例能为你使用RP2040和MicroPython进行开发提供有益的参考。欢迎在云栈社区分享你的实现成果或提出改进想法。

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