【炼气·30】炼气期毕业项目：做一个温度显示器，把前29篇串起来

码农修仙传 · 炼气期 · 第30篇 我是玄芯散人，带你从炼气修到大乘。

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境界标识

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║     炼气期 · 第30篇                    ║
║     炼气期毕业项目：温度显示器          ║
║     ADC+UART+TIM+LCD综合实战           ║
║     预计阅读：18分钟                   ║
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修仙引入

修炼讲究法度。学了一身功法却从来不打一场，等真刀真枪的时候手脚发软。炼气期你学了GPIO点灯，学了UART打字，学了按键中断，学了定时器闪烁LED。这些都是散招。毕业之前，得把散招串成一套连招。

这一篇的毕业项目：做一个温度显示器。用STM32F103的ADC读取芯片内部温度传感器，定时器每秒触发一次采集，串口把温度值打到电脑上，LCD1602同时显示当前温度。四个外设配合工作，一个项目串起来。

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硬核主体

项目需求拆解

先理清楚做什么，再动手。

功能一：读取温度。用STM32F103自带的内部温度传感器，不需要外接器件。这个温度传感器连在ADC1的channel 16上，测的是芯片自己的温度，不是环境温度。精度不高，误差能到好几度，但作为毕业练习完全够用。

功能二：定时采集。每秒读一次温度，不能靠HAL_Delay死等，用定时器中断触发，CPU在两次采样之间可以做别的事。

功能三：串口输出。每次采样完，通过UART把温度值发到电脑，用串口助手查看，方便调试。

功能四：LCD显示。LCD1602显示当前温度，I2C接口驱动，省引脚。

CubeMX配置

一个项目要配四个外设，CubeMX里一个个来。

ADC配置：选ADC1，勾选Temperature Sensor Channel。这个通道是固定的，channel 16，不需要接外部引脚。ADC参数设置里，分辨率选12位，采样时间选239.5个ADC时钟周期，温度传感器需要较长的采样时间才能稳定。

定时器配置：选TIM3，和上一篇一样。PSC填7199，ARR填9999。72MHz除以7200等于10kHz，数10000次溢出，溢出周期1秒。NVIC Settings里勾选TIM3 global interrupt。

UART配置：选USART1，波特率115200，8位数据，1位停止位，无校验。跟第27篇一样的配法。

I2C配置：选I2C1，标准模式100kHz。LCD1602带I2C转接板用PCF8574，地址常见0x4E（对应PCF8574芯片）或0x7E（对应PCF8574A芯片），具体看模块背面的芯片型号。

生成代码后，CubeMX会帮你初始化所有外设。你要做的是把这些外设串到一起。

温度传感器的工作原理

STM32F103的内部温度传感器输出一个电压，跟温度成线性关系。数据手册里给了公式：

温度(°C) = (V25 - V_sense) / Avg_Slope + 25

V25是25度时传感器的输出电压，数据手册给的典型值是1.43V。Avg_Slope是温度每升高1度电压下降多少，典型值4.3mV/°C。V_sense是ADC读到的电压值。

ADC是12位的，量程0到3.3V，所以ADC原始值的换算：电压 = 原始值 × 3.3 / 4096。

合起来，温度的计算公式：

/* ADC原始值转换为温度（摄氏度） */
float adc_to_temperature(uint32_t raw)
{
    float voltage = raw * 3.3f / 4096.0f;     /* ADC值转电压 */
    float temp = (1.43f - voltage) / 0.0043f;  /* 电压转温度 */
    return temp + 25.0f;                       /* 加上25度基准 */
}

为什么是1.43减voltage？因为温度越高，传感器输出的电压越低。25度时是1.43V，温度每升1度降4.3mV。所以25度时的电压减去当前电压，除以每度变化量，就得到比25度高了多少度。

这个公式算出来的温度误差不小，正负1.5度算正常的。内部温度传感器测的是芯片温度，芯片工作时会发热，测出来的温度通常比环境温度高几度。想测环境温度得外接DS18B20这类数字温度传感器，但那是以后的事。

ADC读取：单次转换模式

ADC有好几种工作模式，这里用最简单的单次转换。每次读温度时启动一次ADC转换，等转换完成读结果。

/* 读取ADC1 channel 16（内部温度传感器）的值 */
uint32_t read_adc_temp(void)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR;   /* channel 16 */
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;  /* 温度传感器需要长采样 */
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

    HAL_ADC_Start(&hadc1);                          /* 启动ADC */
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); /* 等转换完成 */
    uint32_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);      /* 读结果 */
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);                            /* 停ADC */
    return value;
}

HAL_ADC_PollForConversion是阻塞等待，但ADC转换很快，12位分辨率加239.5周期采样时间，总共不到100微秒，阻塞这一点点时间无所谓。

如果后续要同时采集多个通道，可以用DMA加扫描模式，但毕业项目用单次转换就够了。简单可靠，容易理解。

定时器触发采集

上一篇你学了用定时器中断闪烁LED。这里把LED翻转换成温度采集。

/* TIM3每1秒溢出中断一次 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM3) {
        /* 1. 读ADC温度传感器 */
        uint32_t raw = read_adc_temp();
        float temp = adc_to_temperature(raw);

        /* 2. 串口输出温度 */
        char buf[32];
        snprintf(buf, sizeof(buf), "Temp: %.1f C\r\n", temp);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);

        /* 3. LCD显示温度 */
        lcd_show_temp(temp);
    }
}

定时器中断回调里做了几件事：读ADC，算温度，然后串口发送加LCD刷新。这一套在一秒里跑一次，CPU在两次中断之间完全空闲。

有个问题要注意。定时器回调里调用HAL_ADC_PollForConversion这种阻塞函数，如果ADC转换耗时太长，会干扰其他中断响应。这里ADC转换不到100微秒，问题不大。但如果在更严格的项目里，中断回调应该只设标志位，真正的工作放到主循环里做。

LCD1602显示

LCD1602带PCF8574 I2C转接板，只需要4根线。VCC和GND供电，SDA接PB7，SCL接PB6，对应STM32的I2C1接口。

LCD1602的驱动有一套固定的初始化序列和命令格式，网上有大量现成库。炼气期不深究I2C协议细节，用一个简化版的驱动说明思路：

/* LCD1602 I2C 简化驱动（基于PCF8574） */
#define LCD_ADDR 0x4E  /* PCF8574常见地址（视跳线而定） */

/* 发送一个字节到LCD */
void lcd_write_byte(uint8_t data, uint8_t mode)
{
    /* mode: 0=命令, 1=数据 */
    uint8_t hi = (data & 0xF0) | 0x08 | mode;  /* 高4位+背光+RS */
    uint8_t lo = ((data << 4) & 0xF0) | 0x08 | mode; /* 低4位 */
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &hi, 1, 100);
    /* 使能脉冲 */
    hi |= 0x04;  /* EN=1 */
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &hi, 1, 100);
    hi &= ~0x04; /* EN=0 */
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &hi, 1, 100);
    HAL_Delay(2);
    /* 低4位同理 */
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &lo, 1, 100);
    lo |= 0x04;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &lo, 1, 100);
    lo &= ~0x04;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, &lo, 1, 100);
    HAL_Delay(2);
}

/* 显示温度到LCD */
void lcd_show_temp(float temp)
{
    /* 第一行显示标题 */
    lcd_write_byte(0x80, 0);  /* 光标移到第一行起始 */
    lcd_write_byte(0x80, 0);
    const char* title = "Temperature:";
    while (*title) lcd_write_byte(*title++, 1);

    /* 第二行显示数值 */
    lcd_write_byte(0xC0, 0);  /* 光标移到第二行起始 */
    lcd_write_byte(0xC0, 0);
    char buf[16];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%.1f C  ", temp);
    char *p = buf;
    while (*p) lcd_write_byte(*p++, 1);
}

LCD1602每次发一个字节要拆成两个4位传送，因为PCF8574是8位IO扩展，LCD1602数据口是4位模式。每次传送需要一个使能脉冲，EN引脚从高变低时LCD读取数据。这些时序细节不用全记住，用现成库就行，理解原理就好。

主程序代码

把所有部件拼到一起：

#include "main.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

/* 函数声明 */
uint32_t read_adc_temp(void);
float adc_to_temperature(uint32_t raw);
void lcd_init(void);
void lcd_show_temp(float temp);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_TIM3_Init();

    lcd_init();                          /* 初始化LCD */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);       /* 启动定时器中断 */

    /* 发送启动消息 */
    const char* msg = "Temp Monitor Ready\r\n";
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)msg, strlen(msg), 100);

    while (1)
    {
        /* 主循环空闲，所有工作在定时器中断里完成 */
        /* 可以在这里加按键检测、低功耗模式等 */
    }
}

整个程序的结构很清晰：初始化所有外设，启动定时器，主循环空闲。每秒定时器中断触发一次，读ADC算温度发串口刷LCD，一气呵成。

数据流时序

整个链路，定时器中断触发到LCD刷新完成，耗时不超过几毫秒。剩下的99%时间CPU完全空闲，可以加别的功能，比如按键切换显示模式，或者加个蜂鸣器在温度超阈值时报警。

调试顺序

做这种多外设配合的项目，别一次全配上再调。一次加一个外设，每加一个先验证能跑。

第一步：先调ADC，把原始值打到串口看数字。用手捂住芯片，温度应该缓慢上升，松手后下降。如果数值一直是0或者4095，检查ADC通道配置和采样时间。

第二步：调温度公式。把ADC原始值和算出来的温度同时通过串口输出，对比一下。室温环境下芯片温度一般在30到40度之间。如果算出来是负数或者上百，公式写错了。

第三步：加定时器。让定时器每秒触发一次ADC读取，串口每秒打印一行温度。如果串口没输出或者一次打印好几行，检查定时器中断有没有正确使能。

第四步：加LCD。先让LCD显示一个固定字符串，确认I2C通信正常。再改成显示动态温度值。如果LCD不显示，先检查I2C地址对不对，用I2C扫描函数扫一遍总线上有哪些设备。

这个项目教了你什么

单独看每个外设，都不难。GPIO点灯你早会了，UART打字也会了，定时器中断上一篇刚学的。ADC是新东西，但读取接口就那三步：配置通道，启动转换，读值。LCD的I2C驱动稍微复杂一点，但网上有现成库。

真正的难点不在单个外设，在于把多个外设拼到一个项目里让它们协调工作。初始化顺序，中断优先级，阻塞函数放哪里，数据在不同模块之间怎么传递，这些才是工程能力。

你做了一个能读温度并输出到串口和LCD的项目。点灯到这一步，炼气期的功夫就练完了。

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修仙术语对照表

修仙术语	技术现实	本篇位置
散招	单个外设的使用（GPIO/UART/ADC）	项目需求拆解
连招	多外设配合组成可运行项目	项目需求拆解
灵脉探温	ADC读取内部温度传感器	温度传感器原理
周天循环	定时器每秒触发一次采集流程	定时器触发采集
传音符	串口输出温度值	串口输出
显形石	LCD1602显示温度	LCD1602显示
法器组装	CubeMX配置多个外设	CubeMX配置
炼丹火候	ADC采样时间设置239.5周期	ADC读取
搬运灵气	ADC原始值到温度值的换算	温度传感器原理
灵力调度	中断回调里串联多个外设操作	定时器触发采集
凝液成丹	多外设拼装为可运行项目	主程序代码
逐层试法	一次加一个外设逐步调试	调试顺序

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进阶条件

• [ ] 能画出温度显示器的数据流图，说清定时器中断到LCD刷新的全链路
• [ ] 能用公式将ADC原始值换算为摄氏度，知道V25=1.43V和Avg_Slope=4.3mV/°C的含义
• [ ] 能解释为什么内部温度传感器测的不是环境温度，以及误差来源
• [ ] 能在CubeMX中同时配置多个外设（ADC/TIM/UART/I2C）
• [ ] 能写出定时器中断回调函数，在回调里完成ADC读取温度换算和结果输出
• [ ] 知道多外设项目要逐个调试验证，能说出调试的四个步骤
• [ ] 能解释为什么中断回调里不宜放耗时操作，以及主循环空闲的好处

炼气期到这里就毕业了。下一篇进入筑基期，你将理解代码背后的计算机原理。

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下期预告 + 互动

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筑基不是多写了几年代码就行，得能说清楚代码在计算机里怎么跑的。筑基的判断标准，CS基础四座地基概述。炼气到筑基，不是量的积累，是视角的升级。

问你：

这个项目里四个外设，你觉得哪个最难调试？是ADC的温度换算还是LCD的I2C通信？

如果要给这个温度显示器加一个功能，你会加什么？报警蜂鸣器？历史温度记录？还是无线传输？

我是玄芯散人，带你从炼气修到大乘。

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本文是「码农修仙传」系列第30篇。系列导航见 xren.ren