STM32实战：智能环境监测站设计方案

下面是一个基于STM32的智能环境监测站设计方案，使用Keil MDK-ARM开发环境。这个系统集成了多种传感器，并通过OLED显示数据，同时具备数据存储和报警功能。

[STM32F4系列MCU]
  ├── I2C总线
  │   ├── SHT30温湿度传感器
  │   ├── BMP280气压传感器
  │   ├── BH1750光照传感器
  │   └── OLED显示屏
  ├── UART接口
  │   ├── USB转串口(调试输出)
  │   └── ESP8266 WiFi模块
  ├── SPI接口
  │   └── W25Q128 Flash存储芯片
  └── GPIO
      ├── 蜂鸣器(报警)
      └── LED指示灯

graph TDA[系统初始化] --> B[外设初始化]B --> C[定时器配置]C --> D{主循环}D --> E[传感器数据采集]E --> F[数据处理]F --> G[OLED显示]F --> H[数据存储]F --> I[报警检测]I --> J[触发报警]F --> K[数据上传]

核心代码实现

传感器驱动与数据采集

// sensor.h
#ifndef __SENSOR_H
#define __SENSOR_H#include "stm32f4xx_hal.h"// 传感器I2C地址
#define SHT30_ADDR    0x44
#define BMP280_ADDR   0x76
#define BH1750_ADDR   0x23// 传感器数据结构
typedef struct {float temperature;float humidity;float pressure;float altitude;uint16_t light;
} SensorData;// 初始化传感器
void Sensors_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c);// 读取所有传感器数据
void Sensors_ReadAll(SensorData *data);#endif

// sensor.c
#include "sensor.h"
#include "sht30.h"
#include "bmp280.h"
#include "bh1750.h"static I2C_HandleTypeDef *hi2c_ptr;void Sensors_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {hi2c_ptr = hi2c;SHT30_Init(hi2c_ptr);BMP280_Init(hi2c_ptr);BH1750_Init(hi2c_ptr);
}void Sensors_ReadAll(SensorData *data) {SHT30_Read(hi2c_ptr, &data->temperature, &data->humidity);BMP280_Read(hi2c_ptr, &data->pressure, &data->altitude);data->light = BH1750_ReadLight(hi2c_ptr);
}

主程序逻辑

// main.c
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "sensor.h"
#include "oled.h"
#include "w25qxx.h"
#include "esp8266.h"// 全局变量
SensorData env_data;
uint32_t last_sensor_read = 0;
uint32_t last_data_save = 0;
uint32_t last_data_send = 0;// 报警阈值
#define TEMP_ALARM_THRESHOLD  35.0f
#define HUMI_ALARM_THRESHOLD  80.0f// 外设句柄
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
UART_HandleTypeDef huart1;  // 调试串口
UART_HandleTypeDef huart2;  // ESP8266
SPI_HandleTypeDef hspi1;    // Flash存储器int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();// 初始化外设MX_GPIO_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_SPI1_Init();// 初始化传感器Sensors_Init(&hi2c1);// 初始化OLEDOLED_Init(&hi2c1);// 初始化FlashW25Qxx_Init(&hspi1);// 初始化WiFi模块ESP8266_Init(&huart2);// 启动定时器HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);while (1) {uint32_t current_time = HAL_GetTick();// 每2秒读取一次传感器数据if (current_time - last_sensor_read >= 2000) {last_sensor_read = current_time;Sensors_ReadAll(&env_data);// 显示数据OLED_DisplayData(&env_data);// 检测报警条件if (env_data.temperature > TEMP_ALARM_THRESHOLD || env_data.humidity > HUMI_ALARM_THRESHOLD) {// 触发报警HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);} else {HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);}}// 每10秒保存一次数据到Flashif (current_time - last_data_save >= 10000) {last_data_save = current_time;W25Qxx_SaveData(&env_data);}// 每30秒发送一次数据到云平台if (current_time - last_data_send >= 30000) {last_data_send = current_time;ESP8266_SendData(&env_data);}}
}// 定时器中断处理
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {if (htim->Instance == TIM2) {// 定时器任务可以在这里处理}
}

OLED显示实现

// oled.c
#include "oled.h"
#include "oled_font.h"void OLED_DisplayData(SensorData *data) {OLED_Clear();// 显示温度OLED_ShowString(0, 0, "Temp:", 16);OLED_ShowFloat(50, 0, data->temperature, 2, 16);OLED_ShowString(100, 0, "C", 16);// 显示湿度OLED_ShowString(0, 2, "Humi:", 16);OLED_ShowFloat(50, 2, data->humidity, 2, 16);OLED_ShowString(100, 2, "%", 16);// 显示气压OLED_ShowString(0, 4, "Press:", 16);OLED_ShowFloat(50, 4, data->pressure, 2, 16);OLED_ShowString(100, 4, "hPa", 16);// 显示光照OLED_ShowString(0, 6, "Light:", 16);OLED_ShowNum(50, 6, data->light, 5, 16);OLED_ShowString(100, 6, "lux", 16);// 显示报警状态if (data->temperature > TEMP_ALARM_THRESHOLD) {OLED_ShowString(0, 7, "HIGH TEMP!", 16);} else if (data->humidity > HUMI_ALARM_THRESHOLD) {OLED_ShowString(0, 7, "HIGH HUMI!", 16);}
}

数据存储实现

// w25qxx.c
#include "w25qxx.h"#define DATA_START_ADDR  0x000000  // Flash存储起始地址
#define MAX_RECORDS      1000      // 最大存储记录数static uint32_t current_addr = DATA_START_ADDR;
static uint16_t record_count = 0;void W25Qxx_SaveData(SensorData *data) {if (record_count >= MAX_RECORDS) {// 循环覆盖最早的数据current_addr = DATA_START_ADDR;record_count = 0;}// 擦除扇区（如果需要）if ((current_addr % W25QXX_SECTOR_SIZE) == 0) {W25Qxx_EraseSector(current_addr);}// 写入数据W25Qxx_Write((uint8_t *)data, current_addr, sizeof(SensorData));// 更新地址和计数current_addr += sizeof(SensorData);record_count++;
}

学习重点与实现技巧

1. GPIO配置

• 使用STM32CubeMX进行可视化配置

• 合理分配引脚资源，避免冲突

• 配置上拉/下拉电阻，提高抗干扰能力

2. ADC采样

• 配置ADC时钟和采样时间

• 使用DMA传输减少CPU开销

• 添加软件滤波算法（如移动平均）

// ADC采样示例
#define ADC_SAMPLES 10
uint16_t adc_buffer[ADC_SAMPLES];void ADC_Init(void) {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};hadc1.Instance = ADC1;hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc1.Init.ScanConvMode = ENABLE;hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&hadc1);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);// 启动DMA传输HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_SAMPLES);
}

3. I2C总线通信

• 使用HAL库的I2C函数

• 处理总线忙状态和错误恢复

• 添加重试机制提高稳定性

HAL_StatusTypeDef I2C_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size) {HAL_StatusTypeDef status;uint8_t retry = 0;while (retry < 3) {status = HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, DevAddress, pData, Size, 100);if (status == HAL_OK) {return HAL_OK;}retry++;HAL_Delay(1);}return status;
}

4. 定时器应用

• 配置定时器中断进行周期性任务

• 使用PWM驱动蜂鸣器

• 实现精确延时

// 定时器配置示例
void TIM_Init(void) {TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};htim2.Instance = TIM2;htim2.Init.Prescaler = 8400 - 1;  // 84MHz/8400 = 10kHzhtim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim2.Init.Period = 10000 - 1;    // 1s中断htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_Base_Init(&htim2);sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);// 使能定时器中断HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}

5. 传感器数据解析

• 理解传感器数据手册

• 正确处理原始数据到物理量的转换

• 添加校验机制确保数据有效性

// SHT30数据解析示例
void SHT30_ParseData(uint8_t *data, float *temp, float *humi) {uint16_t rawTemp = (data[0] << 8) | data[1];uint16_t rawHumi = (data[3] << 8) | data[4];// 计算温度（℃）*temp = -45 + 175 * (float)rawTemp / 65535.0f;// 计算湿度（%RH）*humi = 100 * (float)rawHumi / 65535.0f;
}

项目优化建议

1. 低功耗设计：

   • 使用睡眠模式

   • 传感器间歇工作

   • 降低主频

2. 数据安全：

   • 添加CRC校验

   • 数据加密存储

   • 异常恢复机制

3. 用户界面：

   • OLED菜单系统

   • 按键控制

   • 报警阈值可配置

4. 云平台集成：

   • MQTT协议

   • HTTP API

   • 数据可视化

5. 固件升级：

   • Bootloader设计

   • OTA(Over-The-Air)升级

   • 版本管理

调试技巧

1. 串口调试：

   • 使用printf重定向

   • 分模块调试

   • 添加调试宏

#ifdef DEBUG
#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) printf(fmt, ##__VA_ARGS__)
#else
#define DEBUG_PRINT(fmt, ...)
#endif

1. 逻辑分析仪：

   • 分析I2C/SPI波形

   • 测量时序

   • 检测信号质量

2. 断点调试：

   • 变量监控

   • 调用栈分析

   • 内存检查

3. 性能优化：

   • 使用DMA减少CPU负载

   • 优化算法

   • 减少不必要的延时

这个智能环境监测站项目涵盖了嵌入式系统开发的核心技术点，通过实践可以深入理解传感器应用、通信协议和外设控制。项目具有很好的扩展性，可以根据需求添加更多功能模块。