Датчик атмосферного давления BMP280

Содержание

• Обзор
• Технические характеристики
• Подключение к Arduino
• Применение
• Часто задаваемые вопросы

Обзор модуля атмосферного давления BMP280

Модуль представляет из себя высокоточный цифровой измеритель атмосферного давления на базе микро-чипа BMP280 от фирмы BOSH. После изготовления каждый датчик проходит индивидуальную калибровку в заводских условиях. Его малые размеры, низкое энергопотребление и высокая измерительная способность позволили завоевать популярность среди множества разработчиков Arduino-проектов. Модуль BMP280 был разработан фирмой как более технологичная модель своего предшественника BMP180. Данная модификация, в отличие от своего младшего брата, предоставляет пользователю целых 2 последовательных интерфейса обмена данными (SPI и I2C), а также 3 режима работы:

• NORMAL – в данном режиме модуль просыпается с определённой периодичностью, выполняет необходимые измерения и снова засыпает. Частота измерений задаётся программным путём, а результат считывается при необходимости.
• SLEEP – режим максимально пониженного энергопотребления.
• FORCED – этот режим позволяет будить модуль подачей внешнего управляющего сигнала. После выполнения измерений, модуль автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления.

Помимо способности измерять показания атмосферного давления, разработчик наделил BMP280 возможностью определять температуру окружающей среды. Все производимые вычисления могут быть отфильтрованы настраиваемым программным фильтром. На рисунке №1 показан внешний вид модуля и его электрическая схема.

Рисунок №1 - внешний вид и схема модуля BMP280 

Как видно из вышеприведенной схемы на модуле предусмотрены конденсаторы для фильтрации по питанию и подтягивающие резисторы интерфейсов ввода/вывода. 

Технические характеристики BMP280

К основным техническим характеристикам можно отнести следующие:

• Напряжение питания: 1.71V – 3.6V;
• Интерфейс обмена данными: I2C или SPI;
• Ток потребления в рабочем режиме: 2.7uA при частоте опроса 1 Гц;
• Диапазон измерения атмосферного давления: 300hPa – 1100hPa (±0.12hPa), что эквивалентно диапазону от -500 до 9000 м над уровнем моря;
• Диапазон измерения температуры: -40°С … +85°С (±0.01°С);
• Максимальная частота работы интерфейса I2C: 3.4MHz;
• Максимальная частота работы интерфейса SPI: 10 МГц;
• Размер модуля: 21 х 18 мм;

Подключение BMP280 к плате Arduino

Как упоминалось выше, модуль BMP280 может быть подключен к плате Arduino посредствам двух интерфейсов I2C или SPI. Какой выбрать - каждый решает сам исходя из возможностей используемого микроконтроллера и специфики проекта. На рисунке №2 показан вариант подключения датчика к плате Arduino Nano по I2C.

Рисунок №2 - подключение BMP280 по I2C-интерфейсу

Как известно, аппаратный интерфейс I2C у Arduino UNO, Nano, Mini и.т.п. расположен на пинах A4 (SDA) и A5 (SCL). Следовательно, в таком режиме обмена данными понадобиться всего 4 провода, два из которых используются для питания модуля, а два других - непосредственно как информационная шина. Для работы по SPI требуется немного больше проводов - целых 6 штук и подключать их необходимо согласно схемы на рисунке №3.

Рисунок №3 - подключение BMP280 по SPI-интерфейсу

Вышеприведенная схема подключения составлена согласно расположению аппаратного интерфейса SPI на платах Arduino UNO, Nano, Mini и.т.п. Исключением является вывод CSB модуля BMP280. В данной схеме он подключен к 10-му пину Arduino, но может быть соединён с любым цифровым выводом, указанным при составлении программы.

Как правило, для BMP280 в Интернете можно найти с десяток библиотек, упрощающих работу с ним. Библиотека Adafruit_BMP280.h позволяет максимально сократить время на освоение данного модуля, не урезая его функционал. Методы библиотеки дают возможность пользователю выбрать способ подключения, а также настроить периодичность и точность измерений в зависимости от режимов работы. Ниже будут рассмотрены некоторые приёмы работы с данной библиотекой.

Итак, для того чтобы начать работу с BMP280 необходимо установить вышеуказанную библиотеку, подключить сам заголовочный файл Adafruit_BMP280.h, а также ещё два файла Wire.h и SPI.h, для доступа к необходимым интерфейсам.

#include <Wire.h> // Библиотека для работы с шиной I2C #include <SPI.h> // Библиотека для работы с шиной SPI #include <Adafruit_BMP280.h> // Библиотека для работы с датчиком BMP280

Далее должен быть создан экземпляр класса Adafruit_BMP280, через который можно получить доступ ко всем функциям датчика атмосферного давления. Экземпляр может быть создан тремя разными способами в зависимости от типа подключения модуля, а именно:

// Для подключения по шине I2C Adafruit_BMP280 bmp; // Для подключения по аппаратному SPI (указываем только номер пина CS) #define PIN_CS 10 Adafruit_BMP280 bmp(PIN_CS); // Для подключения по программному SPI (указываем все пины интерфейса) #define PIN_SCK 13 #define PIN_MISO 12 #define PIN_MOSI 11 #define PIN_CS 10 Adafruit_BMP280 bmp(PIN_CS, PIN_MOSI, PIN_MISO, PIN_SCK);

Следует помнить, что при составлении программы должен быть указан только один из трёх возможных вариантов, иначе будет работать самый последний.

Теперь через объект bmp мы имеем возможность работать с функциями библиотеки, но изначально необходимо инициализировать модуль. Делать это целесообразно внутри функции setup() перед основным циклом:

void setup() { Serial.begin(9600); // Для вывода отладочной информации в терминал if(!bmp.begin()) { // Если датчик BMP280 не найден Serial.println(“BMP280 SENSOR ERROR”); // Выводим сообщение об ошибке while(1); // Переходим в бесконечный цикл } }

Таким образом при выводе сообщения об ошибке следует проверить правильность подключения и соответствие его используемому интерфейсу. При успешной инициализации можно переходить к настройке самой микросхемы BMP280. Для этих целей в библиотеке предусмотрена функция setSampling(...), с помощью которой задаётся режим работы модуля, точность измерения атмосферного давления и температуры окружающей среды, степень фильтрации и период активности датчика. Ниже приведён пример настроек, заданных по умолчанию.

bmp.setSampling(Adafruit_BMP280::MODE_NORMAL, // Режим работы Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2, // Точность изм. температуры Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16, // Точность изм. давления Adafruit_BMP280::FILTER_X16, // Уровень фильтрации Adafruit_BMP280::STANDBY_MS_500); // Период просыпания, мСек

Рассмотрим подробнее данную функцию. Её первый параметр отвечает за режим работы датчика. Всего доступно 4 варианта, а именно:

• MODE_NORMAL – в данном режиме модуль циклически выходит из режима сна через установленный интервал времени. В активном состоянии он проводит измерения, сохраняет их в своей памяти и заново уходит в сон.
• MODE_FORCED – в этом режиме датчик проводит измерения при получении команды от Arduino, после чего возвращается в состояние сна.
• MODE_SLEEP – режим сна или пониженного энергопотребления.
• MODE_SOFT_RESET_CODE – сброс на заводские настройки.

Второй и третий параметры отвечают за точность измерения температуры и атмосферного давления соответственно. Они могут принимать следующие значения:

• SAMPLING_NONE - минимальная точность;
• SAMPLING_X1 – точность АЦП 16 бит;
• SAMPLING_X2 – точность АЦП 17 бит;
• SAMPLING_X4 – точность АЦП 18 бит;
• SAMPLING_X8 – точность АЦП 19 бит;
• SAMPLING_X16 – точность АЦП 20 бит.

Четвёртый параметр отвечает за уровень фильтрации измеренных данных. Значения этого параметра могут быть следующие:

• FILTER_OFF – фильтр выключен;
• FILTER_X2 – минимальный уровень фильтрации;
• FILTER_X4;
• FILTER_X8;
• FILTER_X16 – максимальный уровень фильтрации.

Последний, пятый параметр функции setSampling(...) отвечает за период перехода модуля в активное состояние с целью выполнения измерений. Параметр может принимать следующие значения:

• STANDBY_MS_1 – модуль просыпается каждую миллисекунду;
• STANDBY_MS_63 – модуль просыпается каждые 63 миллисекунды;
• STANDBY_MS_125 – модуль просыпается каждых 125 миллисекунд;
• STANDBY_MS_250 – модуль просыпается каждых 250 миллисекунд;
• STANDBY_MS_500 – модуль просыпается каждых 500 миллисекунд;
• STANDBY_MS_1000 – модуль просыпается каждую секунду;
• STANDBY_MS_2000 – модуль просыпается каждые 2 секунды;
• STANDBY_MS_4000 – модуль просыпается каждых 4 секунды;

На этом стадию настройки параметров датчика BMP280 можно считать завершённой. Библиотека Adafruit_BMP280 предоставляет пользователю три функции, с помощью которых можно считать показания температуры, атмосферного давления и высоты над уровнем моря. Ниже приведён фрагмент программного кода, с помощью которого эти данные выводятся в окно терминала. Считывание происходит в основном цикле loop().

void loop() { // Выводим значение температуры Serial.print(F("Temperature = ")); Serial.print(bmp.readTemperature()); // Функция измерения температуры Serial.println(" *C"); // Выводим значение атмосферного давления Serial.print(F("Pressure = ")); Serial.print(bmp.readPressure()); // Функция измерения атм. давления Serial.println(" Pa"); // Выводим значение высоты Serial.print(F("Approx altitude = ")); Serial.print(bmp.readAltitude(1013.25)); // Функция измерения высоты Serial.println(" m"); }

Следует пару слов сказать о функции bmp.readAltitude(1013.25) и откуда берётся число 1013.25. Это значение давления над уровнем моря конкретной локации, где находится в данный момент датчик. Параметр задаётся в сотнях Ра. Он уникален для каждой местности и по своей сути является отправной точкой или калибровочной константой для корректного измерения высоты. Такой подход обусловлен специфическим алгоритмом вычисления, который построен на принципе фиксации уменьшения атмосферного давления с ростом высоты и наоборот. В любом случае данную константу можно подсмотреть в Интернете на одном из профильных сайтов. Результат вывода значений в терминал показан на рисунке №4.

Рисунок №4 - результат чтения данных с модуля BMP280 

Как видно из рисунка, давление выводится в Паскалях, что для восприятия не очень удобно. Гораздо привычнее получать значения в миллиметрах ртутного столба. Как известно 1Ра = 0,00750062 мм. рт. ст., следовательно необходимо полученное с помощью функции readPressure() значение умножить на 0,00750062.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!!! Может возникнуть такая ситуация, при которой модуль не будет определяться при подключении его по шине I2C. Дело в том, что каждое устройство на этой шине должно иметь свой уникальный адрес. Данная серия модулей в зависимости от модификации может иметь адреса 0x77 или 0x76. Библиотека Adafruit_BMP280.h использует по умолчанию адрес 0х77. Чтобы изменить его на 0х76 необходимо открыть файл Adafruit_BMP280.h установленной библиотеки любым текстовым редактором и найти там нижеследующую строку:

#define BMP280_ADDRESS (0x77) /**< The default I2C address for the sensor. */

Меняем адрес в скобках на 0х76, сохраняем файл и перекомпилируем программу. После данных манипуляций проблема должна исчезнуть.

Пример использования BMP280

Существует несколько направлений применения модулей BMP280. Кто-то использует их в составе полётных контроллеров для определения высоты или в качестве глубиномера, например при погружении в шахту. Но основным направлением является сбор данных для метеостанций. Для более тесного знакомства с модулем, создадим свой проект домашней метеостанции с выводом погодной информации на графический ЖКИ-дисплей от NOKIA 5110. Чтобы сделать проект интереснее, внизу будет выводится график изменения атмосферного давления. Такой подход позволит спрогнозировать приближение дождя по резкому падению давления или хорошую погоду по его динамическому возрастанию. Управлять всем этим будет плата Arduino Nano. На рисунке №5 приведена схема проекта домашней метеостанции.

Рисунок №5 – схема метеостанции

В схеме для запитывания экрана и его подсветки использован модуль линейного стабилизатора напряжения AMS1117-3V3. Это позволит уберечь Arduino Nano от перегрузок. Также потребуется скачать две дополнительные библиотеки для работы с дисплеем, а именно:

• Adafruit-PCD8544-Nokia-5110-LCD-library

• Adafruit-GFX-Library

Данные библиотеки позволят выводить на дисплей текстовую и графическую информацию, которая будет обновляться каждую минуту. Теперь самое время перейти к программированию. Ниже будет приведён исходный код проекта.

// Подключаем библиотеки для раблты с дисплеем NOKIA 5110 #include <SPI.h> #include <Adafruit_GFX.h> #include <Adafruit_PCD8544.h> // Номара выводов Arduino для подключения димплея #define PIN_5110_SCLK 3 #define PIN_5110_DIN 4 #define PIN_5110_DC 5 #define PIN_5110_CS 6 #define PIN_5110_RST 7 Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(PIN_5110_SCLK, PIN_5110_DIN, PIN_5110_DC, PIN_5110_CS, PIN_5110_RST); // Подключаем библиотеки для работы с датчиком BMP280 #include <Wire.h> #include <Adafruit_BMP280.h> Adafruit_BMP280 bmp; uint8_t pp[84]; // Массив значений атм. давления для вывода графика uint8_t index = 0; // Текущий индекс (точка на графике) void setup() { display.begin(); // Инициализация дисплея display.setContrast(45); // Настройка контрасности display.display(); // Подготовка к выводу изображения delay(2000); display.clearDisplay(); // Очистка дисплея bmp.begin(); // Инициализация датчика BMP280 // Настройка режима работы датчика BMP280 bmp.setSampling(Adafruit_BMP280::MODE_NORMAL, Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2, Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16, Adafruit_BMP280::FILTER_X16, Adafruit_BMP280::STANDBY_MS_500); for(uint8_t i = 0; i < 84; i++) pp[i] = 0; // Обнуляем массив } void loop() { // Считываем и выводим показания температуры float t = bmp.readTemperature(); display.setTextSize(1); display.setCursor(0, 0); display.print("t="); display.print(t); display.println("oC"); // Считываем и выводим показания высоты float a = bmp.readAltitude(1005); display.setCursor(0, 8); display.print("h="); display.print(a); display.println("m"); // Считываем и выводим показания атмосверного давления float p = bmp.readPressure(); p = p * 0.00750062; // Преобразуем Паскали в мм.рт.ст. display.setCursor(0, 16); display.print("p="); display.print(p); display.println("mmGh"); // Преобразуем показания для построения графика pp[index] = map(p, 730, 760, 0, 24); // Строим график index++; if(index > 83) { for(uint8_t i = 0; i < 84; i++) pp[i] = 0; index = 0; } display.fillRoundRect(0, 24, 84, 24, 0, WHITE); for(uint8_t i = 0; i < 84; i++) display.drawLine(i, 48, i, 48 - pp[i], BLACK); display.display(); delay(60000); // График будет обновляться 1 раз в минуту display.clearDisplay(); }

На рисунке №6 показан результат работы программы.

Рисунок №6 – метеостанция в работе

Каждая линия графика визуально обозначает значение уровня атмосферного давления в текущую минуту. Учитывая то, что разрешение дисплея по горизонтали составляет 84 пикселя, мы можем наблюдать отрезок измерения, равный 84 минутам соответственно. Вот таким нехитрым способом, за короткий промежуток времени, можно создать очень полезное устройство.

FAQ. Часто задаваемые вопросы

1. Подключаю датчик по шине I2C, заливаю тестовый скетч из библиотеки Adafruit_BMP280.h, но датчик не обнаруживается. В чём может быть причина?

Большинство датчиков BMP280 имеют адрес 0х76, а библиотека Adafruit_BMP280.h по умолчанию работает с адресом 0х77. Чтобы это исправить необходимо открыть файл Adafruit_BMP280.h любым текстовым редактором, найти строку вида:

#define BMP280_ADDRESS (0x77) /**< The default I2C address for the sensor. */

После этого нужно заменить значение в скобках, сохранить изменения и перекомпилировать проект.

2. Чем отличается датчик BMP280 от аналогичного BMЕ280?

В датчике BMЕ280 дополнительно есть функция измерения влажности.

3. От чего зависти точность определения высоты?

Точность определения высоты напрямую зависит от знания текущего атмосферного давления над уровнем моря для той местности, где используется датчик. Это значение изо дня в день может меняться ввиду различных погодных условий. За вычисление высоты отвечает функция readAltitude(….), параметром которой как раз и является искомое число.