Настольная метеостанция на Arduino Uno

Эта метеостанция измеряет температуру, относительную влажность и атмосферное давление датчиком BME280. Arduino выводит значения на символьный дисплей 20×4 и раз в десять минут сравнивает давление с предыдущим значением.

Фото работающей метеостанции: ragingradish, Arduino Project Hub. В нашем варианте вывод упрощён, чтобы полностью поместиться в один понятный скетч.

Результат

На дисплее постоянно видны:

Temp:   23.4 C
Hum:    45.2 %
Press: 1008.6 hPa
Trend: stable

Надпись rising означает рост давления более чем на 0,5 гПа за десять минут, falling — такое же снижение, stable — меньшее изменение. Это только наблюдение за тенденцией, а не самостоятельный прогноз погоды.

Детали

Деталь	Количество	Точная конфигурация
Arduino Uno R3	1	плата на ATmega328P
BME280	1	Adafruit BME280 breakout, product 2652, допускает питание и логику 5 В
LCD 2004A	1	символьный дисплей 20×4 на контроллере HD44780, без I2C-переходника
Потенциометр 10 кОм	1	настройка контраста
Резистор 220 Ом	1	подсветка дисплея
Макетная плата и провода	1 набор	соединения без пайки
USB-кабель и USB-блок 5 В	1	питание после программирования

Здесь указан конкретный модуль Adafruit, потому что безымянные платы GY-BME280 бывают рассчитаны только на 3,3 В. Не заменяйте модуль, пока не проверите схему питания и уровни логики его платы.

Как устроен проект

BME280 передаёт данные по I2C: у Arduino Uno это выводы A4 (SDA) и A5 (SCL). Дисплей подключён четырёхбитной параллельной шиной. Поэтому датчик использует только две сигнальные линии, а дисплей — шесть.

Проект питается от USB. Напряжения выше 5 В и отдельный источник не нужны.

Схема BME280

На плате Adafruit подписи могут быть Vin, GND, SCK, SDI.

BME280	Arduino Uno
Vin	5V
GND	GND
SCK	A5 / SCL
SDI	A4 / SDA

Выводы SDO и CS не подключайте. Код сначала проверяет адрес 0x76, затем 0x77.

Схема дисплея 20×4

Смотрите на дисплей со стороны символов, а ряд из 16 выводов держите сверху или снизу согласно маркировке платы. Ориентируйтесь по номерам, а не по положению на фотографии.

Вывод LCD	Название	Подключение
1	VSS	GND
2	VDD	5V
3	VO	средний вывод потенциометра 10 кОм
4	RS	Arduino D7
5	RW	GND
6	E	Arduino D8
7–10	D0–D3	не подключать
11	D4	Arduino D9
12	D5	Arduino D10
13	D6	Arduino D11
14	D7	Arduino D12
15	A / LED+	5V через 220 Ом
16	K / LED-	GND

Один крайний вывод потенциометра подключите к 5V, второй — к GND, средний — к VO дисплея.

Сборка

1. При отключённом USB соберите цепи питания 5V и GND на макетной плате.
2. Подключите LCD, затем потенциометр и резистор подсветки.
3. Подключите BME280 четырьмя проводами.
4. Проверьте каждое соединение по таблице от источника к приёмнику.
5. Датчик разместите на проводах длиной 10–20 см в стороне от Arduino и подсветки: нагретая плата завышает температуру.
6. Не закрывайте отверстие датчика клеем, скотчем или корпусом без вентиляции.
7. Только после проверки подключите USB.

Библиотеки

В Arduino IDE откройте Инструменты → Управлять библиотеками и установите:

• Adafruit BME280 Library;
• Adafruit Unified Sensor.

Библиотека LiquidCrystal входит в стандартную поставку Arduino IDE.

Программа

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>

LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12);
Adafruit_BME280 bme;

const unsigned long READ_PERIOD_MS = 2000;
const unsigned long TREND_PERIOD_MS = 10UL * 60UL * 1000UL;
const float TREND_THRESHOLD_HPA = 0.5;

unsigned long lastReadAt = 0;
unsigned long referenceAt = 0;
float referencePressure = 0;
const char *trendText = "waiting";

void printValue(byte row, const char *label, float value, const char *unit) {
  lcd.setCursor(0, row);
  lcd.print(label);
  lcd.print(value, 1);
  lcd.print(unit);
  lcd.print("        ");
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.begin(20, 4);
  lcd.clear();
  lcd.print("Weather station");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("BME280 search...");

  bool found = bme.begin(0x76);
  if (!found) found = bme.begin(0x77);

  if (!found) {
    lcd.clear();
    lcd.print("BME280 not found");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Check A4/A5");
    while (true) delay(100);
  }

  referencePressure = bme.readPressure() / 100.0F;
  referenceAt = millis();
  lcd.clear();
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - lastReadAt < READ_PERIOD_MS) return;
  lastReadAt = now;

  float temperature = bme.readTemperature();
  float humidity = bme.readHumidity();
  float pressure = bme.readPressure() / 100.0F;

  if (now - referenceAt >= TREND_PERIOD_MS) {
    float change = pressure - referencePressure;
    if (change > TREND_THRESHOLD_HPA) {
      trendText = "rising";
    } else if (change < -TREND_THRESHOLD_HPA) {
      trendText = "falling";
    } else {
      trendText = "stable";
    }
    referencePressure = pressure;
    referenceAt = now;
  }

  printValue(0, "Temp:  ", temperature, " C");
  printValue(1, "Hum:   ", humidity, " %");
  printValue(2, "Press: ", pressure, " hPa");
  lcd.setCursor(0, 3);
  lcd.print("Trend: ");
  lcd.print(trendText);
  lcd.print("        ");

  Serial.print("T=");
  Serial.print(temperature, 2);
  Serial.print(" C, H=");
  Serial.print(humidity, 2);
  Serial.print(" %, P=");
  Serial.print(pressure, 2);
  Serial.println(" hPa");
}

Первый запуск

1. В Arduino IDE выберите плату Arduino Uno и правильный порт.
2. Загрузите скетч и откройте монитор порта на 9600 бод.
3. Если подсветка горит, но букв нет, медленно вращайте потенциометр контраста.
4. Через несколько секунд должны появиться три измерения и Trend: waiting.
5. Сравните температуру с комнатным термометром после 10 минут работы.
6. Подышите рядом с датчиком, не касаясь его: влажность должна вырасти и затем постепенно вернуться.
7. Через десять минут строка тренда сменится на rising, falling или stable.

Размещение и проверка

Для комнатных измерений закрепите BME280 на открытой боковой стенке корпуса. Не ставьте станцию:

• на солнце;
• над батареей отопления;
• рядом с увлажнителем;
• вплотную к Arduino или подсветке;
• в закрытую коробку без отверстий.

Чтобы проверить самонагрев, сравните температуру сразу после включения и через 20 минут. Если она заметно растёт только у станции, удлините провода датчика и отнесите его дальше от плат.

Диагностика

Сообщение или симптом	Что проверить
BME280 not found	SDA на A4, SCL на A5, питание, адрес 0x76/0x77
Подсветка есть, текста нет	потенциометр VO, выводы RS и E, порядок D4–D7
Чёрные прямоугольники вместо текста	программа не запущена или неверно подключены сигнальные линии LCD
Влажность всегда 0	куплен BMP280, а не BME280; BMP280 влажность не измеряет
Температура завышена	датчик слишком близко к Arduino, регулятору или подсветке
Значения скачут при касании	плохой контакт макетной платы или слишком длинные I2C-провода

Практика

1. Измерьте температуру в трёх местах комнаты после пяти минут выдержки.
2. Сравните влажность до и после десятиминутного проветривания.
3. Записывайте давление каждый час и сравните ручную таблицу с направлением строки Trend.

Проверьте себя

• Какие три величины измеряет BME280?
• Почему датчик нельзя ставить рядом с нагретой платой?
• Для чего дисплею нужен потенциометр?
• Почему BMP280 нельзя считать полной заменой BME280?
• Что именно сравнивает программа для определения тренда?

Словарь статьи

• BME280 — цифровой датчик температуры, влажности и давления.
• I2C — двухпроводная шина данных SDA и SCL.
• HD44780 — распространённый контроллер символьных дисплеев.
• гПа (hPa) — гектопаскаль, единица атмосферного давления.
• Тренд — направление изменения величины за выбранный промежуток.

Связанные темы

• Датчики температуры
• Датчики влажности
• Протокол I2C

Источники

• Arduino Project Hub: Improved WeatherStation 20x4 — работающая станция и фотография результата.
• Adafruit: BME280 guide — подключение конкретной платы и библиотека.
• Bosch Sensortec: BME280 datasheet — характеристики датчика.
• Arduino LiquidCrystal library — официальная библиотека дисплеев HD44780.