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 TD
    A[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OLED
    OLED_Init(&hi2c1);
    
    // 初始化Flash
    W25Qxx_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Flash
        if (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 = 10kHz
    htim2.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。