Итоговый проект: метеостанция из трёх датчиков на шине

Финальный проект раздела собирает всё, что мы разобрали: на двух проводах A4 и A5 едут экран 16×2, часы DS3231, датчик давления BMP280 и гироскоп MPU6050 — четыре устройства, ноль дополнительных пинов — сигнальных линий всего две. Звучит грозно, пока не вспомнишь, что каждый разговор на шине выглядит одинаково: адрес, регистр, байты. Я собирал такую станцию в зиму, когда раскладывал по комнате тепло от батареи и искал, где сквозит, — а потом она прижилась на балконе как метеопост и заодно стала стендом: каждый новый I2C-модуль сначала обкатывается на ней.

План урока: сначала расчёт шины — адреса, подтяжки и конфликт, который всплывёт обязательно, — затем архитектура скетча с диагностикой при старте, полный скетч для живой платы и прогон в симуляторе, где настоящими будут шина, часы и экран, а датчики сыграют заглушки. Проект сознательно скучный по железу: вся ценность — в дисциплине запуска, которая переносится на десять устройств так же, как на четыре. По бюджету времени честно: сборка на макетке — час, первый запуск — вечер, потому что половина этого вечера уйдёт не на код, а на перепутанный провод и пересчёт подтяжек — и это нормально.

Начинаю с адресной книги — карты шины. Экран на PCF8574 живёт на 0x27 или 0x3F, если партия с PCF8574A. Часы DS3231 — 0x68. BMP280 — 0x76 при SDO на земле. MPU6050 — 0x68... стоп: часы и гироскоп просятся на один адрес, это тот самый классический конфликт из урока про разведение конфликтов. Решение на один провод: ножку ADO гироскопа притянуть к питанию — и модуль переезжает на 0x69. Ни кода, ни мультиплексора, один провод к рельсу 5 В — и в карте шины снова порядок. Адреса после сборки я всегда перепроверяю сканером: паспорт — паспорт, а модуль из другой партии имеет право удивить; запись в карту шины делается только по факту отклика.

Второй расчёт — подтяжки; на четырёх модулях он уже не теория. На моих платах резисторы 4,7 кОм распаяны на борту у экрана, часов и BMP280, а MPU6050 в этой партии пришёл без подтяжек. Считаем параллельное соединение: три резистора по 4,7 кОм дают около 1,57 кОм — а это уже на нижней границе для 5 В: ток прижима при нуле на линии выходит 5 В / 1,57 кОм ≈ 3,2 мА при допустимых спецификацией трёх. Я выпаял подтяжку из переходника экрана — сумма встала на спокойные 2,35 кОм. Мораль: перед четвёртым модулем посчитайте, сколько резисторов уже висит на шине; физика подробно разобрана в уроке про номиналы подтяжек.

Архитектура скетча — три слоя, и порядок именно такой. Слой диагностики в setup(): пинг каждого адреса через beginTransmission и endTransmission, печать, кто ответил; пока единицы не сошлись, основной цикл не запускаю — искать глюк опроса на мёртвом модуле значит потерять вечер. Слой журнала: обёртки из урока про сниффер I2C печатают кадры с меткой millis; на отладке они включены, в постоянной работе приглушены, потому что строка в тридцать символов на 9600 бод — это 30 мс тишины в loop. Слой данных: планировщик на millis из урока про millis вместо delay опрашивает часы раз в секунду, а датчики — раз в пять, чтобы шина не молотила вхолостую. Опрос раз в пять секунд — не скупость: показания меняются медленно, а каждый лишний кадр — время и энергия.

Отдельная мелочь, которая экономит часы: адреса и регистры вынесены в константы вверху скетча. Пять строк const byte — и переезд на модуль другой партии (экран с 0x27 на 0x3F, датчик с 0x76 на 0x77) становится правкой одной строки, а не поиском по всему файлу. Внутри loop() адресов в явном виде нет — по-моему, главный признак того, что проект вырос из копипасты и готов к жизни. Время на экране и в Serial живёт по правилам урока про DS3231: батарейка, lostPower(), adjust один раз в setup.

Разбор по узлам. Диагностика в setup() печатает по единице на каждый живой адрес: bmp=1 mpu=1 rtc=1 — три единицы, и можно работать; ноль подскажет, куда смотреть, ещё до основного цикла. Датчики читаются один раз за проход в переменные — я по неопытности читал их дважды: раз для экрана, второй раз для Serial, и половина трафика шины уходила в никуда. Сырые коды в этом скетче печатаются как есть: пересчёт в градусы и паскали — через калибровочные константы из урока про BMP280, а здесь мы прокладываем каркас.

Частота опроса — тоже дисциплина. Термометр DS3231 обновляет свои регистры раз в секунду, а BMP280 в разовом режиме при однократной точности делает измерение за считанные миллисекунды — около 6 мс по даташиту, — поэтому опрашивать чаще раза в секунду бессмысленно: цифра на экране не изменится, а шина будет крутиться вхолостую. При опросе раз в пять секунд занятость шины выходит около сотой доли процента: кадр меньше миллисекунды каждые пять секунд. Экран обновляется целиком через clear(): моргание при раз в секунду терпимо, а если хочется плавнее — перерисовывайте только изменившиеся позиции, как в уроке про первый текст на LCD.

В симуляторе станция собирается тем же скетчем без include-строк: LiquidCrystal_I2C и RTC_DS3231 движок понимает, Wire-трафик идёт в панель I2C. Датчики — честная заглушка: на каждый запрошенный байт слейв отвечает 42 (0x2A), поэтому сырые коды фиксированные: три байта BMP280 дают 2763306, два байта MPU6050 — 10794. На живой плате вместо них — настоящие показания, и каркас скетча не меняется ни на строку. Часы тикают по-настоящему, на экране — время и термометр DS3231, а панель I2C показывает каждый кадр вашего скетча: пинги BMP280 и MPU6050 в setup, потом ежесекундные двухходовки к датчикам. Обратите внимание на честность движка: чтение времени через rtc.now() не рисуется в панели — объект часов встроен в симулятор и шину не занимает; в панели только ваш Wire-трафик из скетча.

Куда двигать проект дальше. Первое — показания по расписанию: перевести датчики с опроса раз в пять секунд на раз в минуту и завести дневник на EEPROM — счётчик включений и записей разобран в уроке про счётчик на EEPROM. Второе — второй экран: OLED на 0x3C встаёт на ту же шину без конфликтов, и крупные цифры давления видны с другого конца комнаты. Третье — батарейное питание: датчики в спящем режиме, будим командой только на время опроса; при 100 кГц кадр опроса занимает меньше миллисекунды, и шина остаётся свободна на 99 процентов времени даже с десятком устройств.