使用Arduino IDE的BME680 和 ESP32（气体、压力、温度、湿度）
在本教程中，我们将学习使用 Arduino IDE 将 BME680 传感器与 ESP32 连接。BME680环境传感器，用于测量环境温度、气压、相对湿度和气体（VOC）或室内空气质量（IAQ）。我们将学习如何使用 Arduino 核心编程将其与 ESP32 连接。为了进行演示，首先，我们将使用一个简单的 Arduino IDE 代码来读取 BME680 传感器数据并将其显示在 Arduino IDE 的串行监视器上。此外，我们还将看到一个在 OLED 显示屏上显示 BME680 传感器读数的示例。
先决条件
在开始本课程之前，请确保您熟悉并安装了最新版本的 Arduino IDE。另外，请确保您在 Arduino IDE 中安装了 ESP32 插件。
BME680介绍
BME680是一款四合一电力驱动传感器，集成了温度、压力、湿度和气体检测传感器。它的工作电压为1.8-3.8V，并通过I2C和SPI协议与其他微控制器通信。该传感器用于跟踪空气质量、湿度指示器、天气趋势、家庭自动化、控制和 GPS 增强等领域。
工作范围和精度
BME680 的一些主要 特性包括：
- 温度测量：测量环境温度，精度为±1.0℃，工作范围为-40至85℃。
- 相对湿度测量：测量相对湿度，响应速度快，精度为±3%，工作范围为0-100%。
- 压力测量：以±1 hPa绝对精度测量气压，以±1米精度测量海拔高度。压力操作范围为 300-1100 hPa。
| 准确性 | 工作范围 | |
|---|---|---|
| 温度 | ±1.0℃ | -40 至 85 ℃ |
| 湿度 | ±3% | 0-100% |
| 压力 | ±1 hPa | 300-1100 hPa |
- 气体测量：检测包括挥发性有机化合物 (VOC) 在内的多种气体，从而确定室内空气质量。
- 由于其紧凑的尺寸和低功耗运行，它适用于移动应用、智能手表和导航系统。
与 BME280 相比，BME680 是一款独特且更新的传感器，因为它包含小尺寸 MOX（金属氧化物）传感器。
气体传感器
BME680传感器可以测定环境中污染物/VOC的数量，例如一氧化碳、乙烷、异戊二烯/2-甲基-1,3丁二烯、丙酮和乙醇。VOC 通过金属氧化物层上吸附的氧分子来检测。它的实际检测是通过改变MOX传感器的阻值原理来完成的。每当 MOX 与空气中的污染物接触时，传感器的电阻就会随着污染物浓度的变化而变化。这意味着空气中污染物数量较多会导致传感器的电阻显着降低。同样，随着空气中 VOC 浓度的降低，传感器的电阻也会明显升高。
注意：BME680 气体传感器不是 CO2 或乙醇测量传感器。它从空气中的VOC中得到CO2的相对值，但不能用于直接测量CO2。
与所有其他气体传感器一样，BME680 每次也会给出不同的结果。为了确保更高的准确性，我们必须根据已知源对其进行校准，然后绘制其曲线。由于传感器在初次使用期间灵敏度水平不是恒定的，因此最初建议运行四十八小时，随后可以在每次使用前将其调低至三十分钟。
BME680 模块
市场上有多种不同尺寸和端子数量的 BME680 传感器。但所有模块都通过SPI但所有模块都通过SPI和I2C接口提供数据，我们可以使用相同的 Arduino 草图来获取传感器读数。其中一些如下所示：
可以根据自己的方便以及要连接的微控制器类型来选择模块。在本文中，我们将使用带有 6 个端子的 BME680 传感器，如下所示。它有 4 个 SPI 和两个 I2C 端子。
引脚图
下图显示了BME680传感器的引脚排列：
BME680 引脚分配
| 引脚 | 功能描述 |
|---|---|
| VCC | 该引脚为传感器供电。 |
| GND | 这是电源和逻辑的公共接地引脚。 |
| SCL | 当使用 I2C 协议时，该引脚充当 SCL 或串行时钟引脚；当使用 SPI 协议时，该引脚充当 SCK 或 SPI 的串行引脚。它是芯片的输入。 |
| SDA | 当使用 I2C 协议时，该引脚充当 SDA 或串行数据引脚，而当使用 SPI 协议时，该引脚充当 SDI 或串行数据输入，也称为 MOSI（“主输出从输入”）。这用作传感器的 I2C/SPI 输入。 |
| SDO | 这是用于 SPI 通信的 SDO（从机数据输出）/MISO（主机输入从机输出）引脚。该引脚用作传感器的 SPI 输出。 |
| CS | 这是 SPI 通信中使用的片选引脚。充当传感器的输入。 |
BME680 I2C 和 SPI 接口
在本节中，我们将了解如何将 BME680 传感器模块与 ESP32 连接。如前所述，BME680 提供两种接口，例如 I2C 和 SPI。我们可以使用 SPI 或 I2C 接口将传感器与 ESP32 连接。我们将在下一节中展示这两种情况的连接。
与 ESP32 的 I2C 接口
如果要使用 I2C 接口将 BME680 传感器与 ESP32 连接，则应根据这些 SCL 和 SDA 引脚进行 ESP32 板的连接。
| BME680 | ESP32 |
|---|---|
| VCC | VCC=3.3V |
| GND | GND |
| SCL | GPIO22 |
| SDA | GPIO21 |
将ESP32的VCC引脚与模块的3.3V VCC引脚连接即可上电。两个设备的两个接地将连接在一起。BME680 的 SCL 引脚将与 ESP32 的默认 SCL 引脚连接。同样，SDA 引脚将与 ESP32 的默认 SDA 引脚连接。
注意：如果我们使用 ESP32 的其他 GPIO 引脚进行 I2C 通信，我们可以在 Arduino 草图中定义其他引脚。我们不必使用默认的 I2C 引脚。
ESP32 I2C 引脚
上述 I2C 引脚为默认设置。如果我们想更改 GPIO 引脚，我们必须在代码中设置它们。下图显示了 ESP32 的引脚排列。
与 ESP32 的 SPI 接口
如果要使用 SPI 接口将 BME680 传感器与 ESP32 连接，则应根据这些 MOSI、MISO 和 SCK 引脚将 ESP32 与传感器连接。因为SPI协议使用MOSI/SDI、MISO/SDO和SCK引脚。
| BME680 | ESP32 |
|---|---|
| VCC | VCC=3.3V |
| GND | GND |
| SCL（SPI 的 SCK） | GPIO18 |
| SDA（SPI 的 SDI/MOSI） | GPIO23 |
| SDO / MISO | GPIO19 |
| CS | GPIO5 |
VCC 引脚将连接 ESP32 模块的 3.3V 电源来供电。两个设备的两个接地将连接在一起。BME680 的 SCL 引脚将与 ESP32 的默认 SCK/CLK 引脚连接。同样，SDA 引脚将与 ESP32 的默认 MOSI 引脚连接。SDO 引脚将与 ESP32 的默认 MISO 引脚连接，传感器的 CS 引脚也将与 ESP32 的默认 CS 引脚连接。
注：上表列出了 ESP32 默认的 SPI 引脚。但如果你想使用任何其他引脚，你需要在 Arduino sketch 中定义它们
如您所见，我们将使用 ESP32 模块的默认 I2C 和默认 SPI 引脚来连接传感器的相应引脚。如果您想根据自己的喜好更改引脚，可以在程序代码中处理。
使用哪个接口？
到目前为止，我们已经讨论了 BME680 的 SPI 和 I2C 接口，并学习了使用这两个接口将传感器与 ESP32 连接。但问题是我们应该使用哪种通信协议来从 BME680 读取数据。正如我们所见，SPI 需要四个引脚来进行通信。相反，I2C 需要两个引脚。然而，与 I2C 相比，SPI 的速度通常更快。因此，这是速度和引脚数量之间的权衡。简而言之，这取决于您的选择和应用。我们将使用 I2C 接口通过 ESP32 的默认 I2C 引脚获取传感器读数。
所需硬件
我们需要以下组件来连接 ESP32 板与 BME680 传感器。
- ESP32
- BME680模块
- 连接线
- 面包板
- 0.96英寸OLED显示屏
BME680 与 ESP32 连接图
按照下图原理图将 ESP32 与 BME680 连接，通过 I2C 通信进行接口。
按照下图原理图将 ESP32 与 BME680 连接，通过 SPI 通信进行接口：
在 Arduino 中安装 BME680 库
我们将使用 Arduino IDE 对带有 BME680 的 ESP32 板进行编程。在继续操作之前，请确保您已安装 ESP32 插件。
Arduino 为 BME680 提供了一个内置库，我们将启动它。为了使用 BME680 库的功能，我们还将安装“Adafruit_Sensor Library”。请按照以下步骤确保库的成功安装。
- 在 Arduino IDE 中，单击 Sketch > Include Library > Manage Library
库管理器窗口将打开。在搜索栏中输入“adafruit bme680”。单击安装按钮，如图所示。
现在，我们将安装 Adafruit_Sensor 库。再次单击 Sketch > Include Library > Manage Library
在搜索栏中输入“adafruit Unified Sensor”并安装下面蓝色框中显示的库
ESP32 代码：在串行监视器上显示 BME680 值
让我们看一个显示传感器模块的温度、压力、湿度和气体读数的草图示例。安装上述库后，重新启动 IDE 并单击 File > Examples > Adafruit BME680 Library > bme680async。
这将打开一个名为 bme680async 的新文件，该文件读取传感器数据并将其显示在串行监视器上。您可以查看下面的代码：
#include
#include
#include
#include "Adafruit_BME680.h"
/*#define BME_SCK 18
#define BME_MISO 19
#define BME_MOSI 23
#define BME_CS 15*/
#define SEALEVELPRESSURE_HPA (1013.25)
Adafruit_BME680 bme; // I2C
//Adafruit_BME680 bme(BME_CS); // hardware SPI
//Adafruit_BME680 bme(BME_CS, BME_MOSI, BME_MISO, BME_SCK);
void setup() {
Serial.begin(115200);
while (!Serial);
Serial.println(F("BME680 async test"));
if (!bme.begin()) {
Serial.println(F("Could not find a valid BME680 sensor, check wiring!"));
while (1);
}
// Set up oversampling and filter initialization
bme.setTemperatureOversampling(BME680_OS_8X);
bme.setHumidityOversampling(BME680_OS_2X);
bme.setPressureOversampling(BME680_OS_4X);
bme.setIIRFilterSize(BME680_FILTER_SIZE_3);
bme.setGasHeater(320, 150); // 320*C for 150 ms
}
void loop() {
// Tell BME680 to begin measurement.
unsigned long endTime = bme.beginReading();
if (endTime == 0) {
Serial.println(F("Failed to begin reading :("));
return;
}
Serial.print(F("Reading started at "));
Serial.print(millis());
Serial.print(F(" and will finish at "));
Serial.println(endTime);
Serial.println(F("You can do other work during BME680 measurement."));
delay(50); // This represents parallel work.
// There's no need to delay() until millis() >= endTime: bme.endReading()
// takes care of that. It's okay for parallel work to take longer than
// BME680's measurement time.
// Obtain measurement results from BME680. Note that this operation isn't
// instantaneous even if milli() >= endTime due to I2C/SPI latency.
if (!bme.endReading()) {
Serial.println(F("Failed to complete reading :("));
return;
}
Serial.print(F("Reading completed at "));
Serial.println(millis());
Serial.print(F("Temperature = "));
Serial.print(bme.temperature);
Serial.println(F(" *C"));
Serial.print(F("Pressure = "));
Serial.print(bme.pressure / 100.0);
Serial.println(F(" hPa"));
Serial.print(F("Humidity = "));
Serial.print(bme.humidity);
Serial.println(F(" %"));
Serial.print(F("Gas = "));
Serial.print(bme.gas_resistance / 1000.0);
Serial.println(F(" KOhms"));
Serial.print(F("Approx. Altitude = "));
Serial.print(bme.readAltitude(SEALEVELPRESSURE_HPA));
Serial.println(F(" m"));
Serial.println();
delay(2000);
} 示范
在 Arduino IDE 中，单击“工具”>“开发板”，然后选择“ESP32”。
现在，单击“工具”>“端口”并选择您正在使用的端口。现在，单击上传按钮上传代码。
将以下代码上传到 ESP32 开发板上后，按 ENABLE 按钮，如下所示：
您将看到串行监视器显示所有 BME680 传感器读数，例如气体、压力、温度和湿度，如下所示：
使用 Arduino IDE 在 OLED 显示屏上显示 BME680 传感器值
在本节中，我们将了解如何使用 ESP32 和 Arduino IDE 在 0.96 SSD1306 OLED 显示屏上显示气体、压力、温度和湿度值。
在 Arduino IDE 中安装 SSD1306 OLED 库
要在我们的项目中使用 OLED 显示屏，我们必须在 Arduino IDE 中安装 Adafruit SSD 1306 库。按照以下步骤即可成功安装。
打开 Arduino IDE 并单击 Sketch > Library > Manage Libraries
将打开以下窗口。
在搜索选项卡中输入“SSD1306”并安装 Adafruit SSD1306 OLED 库。
连接图 – OLED 与 ESP32 和 BME680
下表显示了将连接在一起的三个设备的端子。
| OLED显示屏 | ESP32 | BME680 |
|---|---|---|
| VCC | VCC=3.3V | VCC |
| GND | GND | GND |
| SCL | GPIO22 | SCL |
| SDA | GPIO21 | SDA |
组装电路如下图所示：
如上所示，我们已将所有 VCC 端子连接到 3.3V 电源。SCL 端子与 GPIO22 连接，SDA 端子与 GPIO21 连接。理由也很常见。
ESP32 代码：在 OLED 显示屏上显示 BME680 读数
组装完上述电路图后，将以下代码复制到您的 Arduino IDE 并将其上传到 ESP32。
组装完上述电路图后，将以下代码复制到您的 Arduino IDE 并将其上传到 ESP32。
/***************************************************************************
This is a library for the BME680 gas, humidity, temperature & pressure sensor
Designed specifically to work with the Adafruit BME680 Breakout
----> http://www.adafruit.com/products/3660
These sensors use I2C or SPI to communicate, 2 or 4 pins are required
to interface.
Adafruit invests time and resources providing this open source code,
please support Adafruit and open-source hardware by purchasing products
from Adafruit!
Written by Limor Fried & Kevin Townsend for Adafruit Industries.
BSD license, all text above must be included in any redistribution
***************************************************************************/
#include
#include
#include
#include "Adafruit_BME680.h"
#include
#include
#define BME_SCK 13
#define BME_MISO 12
#define BME_MOSI 11
#define BME_CS 10
#define SEALEVELPRESSURE_HPA (1013.25)
Adafruit_BME680 bme; // I2C
//Adafruit_BME680 bme(BME_CS); // hardware SPI
//Adafruit_BME680 bme(BME_CS, BME_MOSI, BME_MISO, BME_SCK);
Adafruit_SSD1306 display = Adafruit_SSD1306(128, 32, &Wire);
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println(F("BME680 test"));
// by default, we'll generate the high voltage from the 3.3v line internally! (neat!)
display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); // initialize with the I2C addr 0x3C (for the 128x32)
// init done
display.display();
delay(100);
display.clearDisplay();
display.display();
display.setTextSize(1);
display.setTextColor(WHITE);
if (!bme.begin()) {
Serial.println("Could not find a valid BME680 sensor, check wiring!");
while (1);
}
// Set up oversampling and filter initialization
bme.setTemperatureOversampling(BME680_OS_8X);
bme.setHumidityOversampling(BME680_OS_2X);
bme.setPressureOversampling(BME680_OS_4X);
bme.setIIRFilterSize(BME680_FILTER_SIZE_3);
bme.setGasHeater(320, 150); // 320*C for 150 ms
}
void loop() {
display.setCursor(0,0);
display.clearDisplay();
if (! bme.performReading()) {
Serial.println("Failed to perform reading :(");
return;
}
Serial.print("Temperature = "); Serial.print(bme.temperature); Serial.println(" *C");
display.print("Temperature: "); display.print(bme.temperature); display.println(" *C");
Serial.print("Pressure = "); Serial.print(bme.pressure / 100.0); Serial.println(" hPa");
display.print("Pressure: "); display.print(bme.pressure / 100); display.println(" hPa");
Serial.print("Humidity = "); Serial.print(bme.humidity); Serial.println(" %");
display.print("Humidity: "); display.print(bme.humidity); display.println(" %");
Serial.print("Gas = "); Serial.print(bme.gas_resistance / 1000.0); Serial.println(" KOhms");
display.print("Gas: "); display.print(bme.gas_resistance / 1000.0); display.println(" KOhms");
Serial.println();
display.display();
delay(2000);
} 示范
要查看上述代码的演示，请将代码上传到 Arduino。但是，在上传代码之前，请确保从Tools > Board 选择 ESP32 板 ，并从Tools > Port选择 ESP32 板连接的正确 COM 端口 。
将代码上传到ESP32后，打开Arduino IDE的串行监视器并将波特率设置为115200。最后，我们可以在Arduino串行监视器和OLED显示屏上看到BME680读数，如下所示：
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