传感器数据采集：温湿度传感器（SHT30）、气压传感器（BMP280）、风速风向传感器、雨量传感器接口与驱动
各位同学，咱们今天聊聊传感器采集这块。说实话，气象站好不好用，一半看传感器驱动写得怎么样。我见过太多项目，硬件选型没问题，结果驱动写得稀烂，数据飘得没法看。今天我把四种核心传感器的接口和驱动经验，一次性讲透。
一、温湿度传感器 SHT30：I2C 总线的老朋友
SHT30 是 Sensirion 家的经典款。我个人习惯把它当作 I2C 传感器的入门标杆——简单、稳定、精度够用。
1. 硬件接口
SHT30 使用标准 I2C 接口，地址有两种：
- ADDR 引脚接 GND：设备地址 0x44
- ADDR 引脚接 VDD：设备地址 0x45
嗯，这里要注意：很多开发板默认把 ADDR 拉低了，你读不到数据时先查查地址对不对。我在项目中遇到过三次，都是因为地址搞错了，折腾了半天。
2. 驱动核心：单次测量模式
我个人推荐使用单次测量模式，而不是周期模式。为什么？因为周期模式会一直占用总线，你想想看，如果系统里还有气压传感器、风速传感器，总线冲突就麻烦了。
// SHT30 单次测量命令（高重复性）
#define SHT30_CMD_MEAS_HIGH 0x2C06
// 发送测量命令
uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};
i2c_write(0x44, cmd, 2);
// 等待 15ms（数据手册要求）
delay_ms(15);
// 读取 6 字节数据
uint8_t buf[6];
i2c_read(0x44, buf, 6);
// 计算温湿度
uint16_t raw_temp = (buf[0] << 8) | buf[1];
uint16_t raw_humi = (buf[3] << 8) | buf[4];
float temperature = -45.0f + 175.0f * raw_temp / 65535.0f;
float humidity = 100.0f * raw_humi / 65535.0f;二、气压传感器 BMP280：精度与功耗的平衡
BMP280 是博世的产品，支持 I2C 和 SPI 两种接口。我个人更倾向 I2C，因为少两根线，布线简单。
1. 校准系数：绕不开的坑
BMP280 出厂时内部存了校准系数，你必须先读出来，才能算准气压值。说白了，没有校准系数，你算出来的数据就是错的。
// 读取校准系数（24 字节）
uint8_t calib[24];
i2c_read(0x76, 0x88, calib, 24);
// 解析校准系数
uint16_t dig_T1 = (calib[1] << 8) | calib[0];
int16_t dig_T2 = (calib[3] << 8) | calib[2];
int16_t dig_T3 = (calib[5] << 8) | calib[4];
// ... 还有气压校准系数2. 采样模式选择
BMP280 有四种采样模式：
| 模式 | 功耗 | 噪声 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| Ultra Low Power | 2.8 μA | 3.3 Pa | 电池供电 |
| Standard | 3.7 μA | 2.6 Pa | 日常使用 |
| High Resolution | 5.2 μA | 2.0 Pa | 气象站 |
| Ultra High Resolution | 7.7 μA | 1.6 Pa | 精密测量 |
我个人建议气象站用 High Resolution 模式。功耗多不了多少，但数据稳定很多。
三、风速风向传感器：脉冲信号与模拟量
风速风向传感器种类很多，我主要讲两种最常见的：脉冲输出型和模拟电压输出型。
1. 风速传感器：脉冲计数法
大部分风速传感器输出的是脉冲信号。风速越快，脉冲频率越高。说白了，就是测频率。
// 使用定时器捕获脉冲
volatile uint32_t pulse_count = 0;
void EXTI_IRQHandler(void) {
if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
pulse_count++;
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
}
}
// 每秒计算一次风速
float calc_wind_speed(void) {
uint32_t count = pulse_count;
pulse_count = 0;
// 假设每 Hz 对应 0.1 m/s
return count * 0.1f;
}2. 风向传感器：模拟电压转角度
风向传感器通常输出 0-5V 模拟电压，对应 0-360 度。这里有个坑：0 度和 360 度是同一个方向，但电压可能不一样。
// 读取 ADC 值
uint16_t adc_value = adc_read(ADC_CHANNEL_0);
// 转换为电压
float voltage = adc_value * 5.0f / 4095.0f;
// 转换为角度（假设 0V=0度，5V=360度）
float angle = voltage * 360.0f / 5.0f;
// 处理边界情况
if (angle >= 360.0f) {
angle = 0.0f;
}四、雨量传感器：翻斗式与电容式
雨量传感器我主要用翻斗式的。结构简单，成本低，精度够用。电容式的虽然没机械部件，但受温度影响大，我一般不推荐。
1. 翻斗式雨量计：中断计数
翻斗每翻一次，干簧管就闭合一次。说白了，就是数脉冲。但这里有个关键点：每次翻斗代表多少毫米降雨量？
// 雨量中断处理
volatile uint32_t rain_count = 0;
void RAIN_EXTI_IRQHandler(void) {
// 消抖处理
if (debounce_check()) {
rain_count++;
}
}
// 计算降雨量（假设每斗 0.5mm）
float calc_rainfall(void) {
uint32_t count = rain_count;
rain_count = 0;
return count * 0.5f;
}2. 电容式雨量传感器：模拟量采集
如果你非要用电容式的，记住一点：电容值受温度影响很大。你需要做温度补偿。
// 电容式雨量传感器读取
float read_capacitive_rain(void) {
uint16_t raw = adc_read(ADC_CHANNEL_1);
float temp = read_temperature(); // 从 SHT30 获取
// 温度补偿
float compensated = raw * (1.0f + 0.002f * (temp - 25.0f));
// 转换为降雨量
return (compensated - DRY_VALUE) * RAIN_SCALE;
}五、传感器数据融合：时间戳与对齐
四种传感器采集频率不一样。SHT30 和 BMP280 可以每秒采一次，风速风向可能需要 0.5 秒一次，雨量则是事件触发。怎么对齐？
我个人习惯的做法是：
- 统一时间基准：所有数据都带上系统时间戳
- 异步采集，同步输出：每个传感器独立采集，但输出时按时间戳对齐
- 数据缓存：用环形缓冲区存最近 10 秒的数据
// 传感器数据结构
typedef struct {
uint32_t timestamp;
float temperature;
float humidity;
float pressure;
float wind_speed;
float wind_direction;
float rainfall;
} sensor_data_t;
// 环形缓冲区
#define BUFFER_SIZE 100
sensor_data_t data_buffer[BUFFER_SIZE];
uint8_t head = 0, tail = 0;核心要点：传感器驱动不是简单的读寄存器。你要考虑时序、校准、消抖、温度补偿、数据对齐。我做了十年嵌入式，踩过的坑比你们走过的路还多。但记住一点：先把基础驱动写稳，再谈优化。
好了，这四种传感器的驱动就讲到这里。下一章咱们聊聊数据滤波和异常处理——说白了，就是怎么把脏数据洗干净。到时候我会分享一个我压箱底的卡尔曼滤波简化版，保证你们用得上。