1. 项目背景与核心功能
现代生活中，温湿度、光照强度和空气质量等环境参数直接影响居住舒适度。传统环境监测设备往往功能单一且成本高昂，而基于STM32的智能终端能同时采集多维度数据，并通过本地显示屏实时反馈。我曾用STM32F103搭配DHT11、GP2Y1010AU等传感器搭建过一套监测系统，实测发现这种方案不仅成本可控（整套硬件成本约200元），还能实现分钟级的数据刷新。
这个项目的核心在于：
- 多传感器协同：同时监测PM2.5、温湿度、光照强度
- 低功耗设计：采用STM32的睡眠模式，待机电流仅2mA
- 实时可视化：通过2.8寸TFT LCD显示数据和曲线图
- 模块化设计：传感器可灵活更换，例如用SHT30替代DHT11提升精度
2. 硬件选型与电路设计
2.1 主控芯片选择
STM32F103C8T6是最佳选择，原因有三：
- 性价比突出：零售价约15元，具备72MHz主频和64KB Flash
- 外设丰富：内置12位ADC（可用于光敏电阻和PM2.5模拟信号采集）
- 开发便利：标准库和HAL库支持完善，我在调试时发现其GPIO驱动能力可直接驱动LCD背光
注意：若需要WiFi上传数据，可换用ESP8266作协处理器，通过UART与STM32通信
2.2 传感器选型对比
| 传感器类型 | 型号 | 接口 | 测量范围 | 精度 | 单价 |
|---|---|---|---|---|---|
| 温湿度 | DHT11 | 单总线 | 0-50℃, 20-90%RH | ±2℃, ±5%RH | 8元 |
| PM2.5 | GP2Y1010AU | 模拟量 | 0-500μg/m³ | ±10% | 35元 |
| 光照 | GL5528 | 模拟量 | 10-1000 Lux | ±15% | 2元 |
实际使用中发现DHT11响应较慢（约2秒），但对家居环境已足够。若需要更高精度，可换用I2C接口的SHT30（精度±1.5%RH，但价格约40元）
2.3 关键电路设计要点
- PM2.5传感器供电：
- 需增加100μF电容稳压，避免电机工作时电压波动
- 输出端接1kΩ上拉电阻到3.3V
- 光敏电阻分压电路：
// 计算公式：Lux = 10^( (log10(Rldr) - 3) / -0.7 ) float Rldr = (3.3f * 10.0f) / (adc_value * 3.3f / 4096) - 10.0f; - LCD背光控制： 通过PWM调节亮度，夜间可自动降低亮度节能
3. 软件实现与优化技巧
3.1 传感器数据采集
DHT11的驱动要注意时序问题，这里分享一个稳定读取的代码片段：
void DHT11_Start(void) { GPIO_InitTypeDef gpio = {0}; gpio.Pin = DHT11_PIN; gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &gpio); HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_RESET); HAL_Delay(18); // 保持至少18ms低电平 HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_SET); delay_us(30); // 主机拉高20-40us }3.2 数据滤波算法
PM2.5传感器容易受干扰，采用移动平均滤波：
#define FILTER_LEN 10 uint16_t pm25_filter_buf[FILTER_LEN]; uint16_t filter_pm25(uint16_t new_val) { static uint8_t idx = 0; pm25_filter_buf[idx++] = new_val; if(idx >= FILTER_LEN) idx = 0; uint32_t sum = 0; for(uint8_t i=0; i<FILTER_LEN; i++) { sum += pm25_filter_buf[i]; } return sum / FILTER_LEN; }3.3 低功耗优化
通过RTC唤醒实现间歇工作：
- 正常模式：72MHz全速运行，电流约50mA
- 睡眠模式：仅RTC工作，电流约2mA
void enter_stop_mode(void) { HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI); // 唤醒后需要重新配置时钟 SystemClock_Config(); }4. 数据可视化实现
4.1 LCD界面设计
使用u8g2图形库构建交互界面：
- 主页面：实时数值+柱状图
- 历史页面：最近12小时曲线
- 设置页面：报警阈值调整
4.2 动态刷新优化
采用局部刷新策略避免闪烁：
void refresh_pm25_value(uint16_t val) { char buf[10]; sprintf(buf, "%4d", val); // 只更新数值区域（x=60,y=30,w=40,h=20） LCD_DrawRect(60, 30, 40, 20, WHITE); LCD_ShowString(60, 30, buf, BLACK, WHITE); }5. 常见问题解决方案
DHT11无响应：
- 检查上拉电阻（建议4.7kΩ）
- 时序误差需控制在us级
- 多次读取失败后应重置总线
PM2.5数值跳变：
- 增加硬件滤波（在输出端并联104电容）
- 避免安装在空调出风口附近
- 定期清洁传感器光学窗口
LCD显示异常：
- 检查FSMC时序配置（尤其地址建立时间）
- 背光电压需稳定在3.3V±5%
- 尝试降低SPI时钟频率（如从18MHz降至8MHz）
这套系统在连续运行测试中表现稳定，后续可扩展SD卡存储或蓝牙数据传输功能。实际部署时建议将PM2.5传感器与主控板分离安装，避免电路发热影响测量精度。
