简介：这份资源面向学习STM32嵌入式开发的学生与电子爱好者，提供一套完整的环境温湿度监测系统设计方案，可用于课程设计、毕业设计或单片机实训。系统以STM32为核心，通过DS18B20采集温度、DHT11采集湿度，将数据实时显示在LCD液晶屏上，并支持手动设置温湿度上下限，超限时触发声光报警——无源蜂鸣器播放音乐配合LED闪烁，报警方式可按需调整。压缩包共195个文件，约4.34MB，包含46个c源文件与46个h头文件构成主要逻辑代码，另有o、d、crf等编译中间文件，以及uvprojx、uvoptx工程配置、hex烧录文件、map与lst映射清单等，工程结构完整，可直接用Keil打开编译。目前已有8724人学习下载，读者可从中获取传感器驱动、LCD显示、阈值判断与声光报警的完整实现思路，并参考工程目录组织与调试配置，快速搭建自己的监测系统。
1. 从一颗芯片到一块能用的板子：STM32环境温湿度监测系统到底在做什么
很多人第一次接触嵌入式，都是从“环境温湿度监测”这个题目入手的。它看起来简单——一颗STM32，一个温湿度传感器，一块屏，几根线——但真正动手做出来能稳定跑上几个月的系统，和实验室里跑通一次就收工的Demo，中间隔着一整套工程思维。这个标题里的“设计”两个字，重点不在传感器多贵、屏幕多大，而在于你如何把采集、处理、显示、报警、存储这几件事，在有限的RAM和Flash里安排得明明白白。
我见过太多人卡在同一个地方：传感器读出来的数据跳得厉害，或者跑几个小时就死机，又或者电池供电撑不过两天。这些问题不是靠换一个更贵的传感器能解决的，而是要从供电、时序、滤波、看门狗这些基础环节去排查。这篇文章面向的是想把这个题目真正做成可交付作品的开发者——不管你是学生做毕设，还是工程师做产品原型，下面这套路径都能让你少走几晚通宵的弯路。
2. 选型定生死：STM32型号、传感器和供电方案怎么定
2.1 STM32F103还是STM32L4？先看你的采样频率和功耗预算
选型的第一步不是看价格，而是看你的系统到底要跑多快、跑多久。温湿度监测这个场景，采样频率通常很低——每秒一次都算高频了，大多数时候是每分钟甚至每十分钟采一次。这意味着CPU大部分时间在睡觉，真正的功耗大头在传感器和无线模块上。
如果你做的是插电设备，STM32F103C8T6这颗“国民芯片”完全够用：72MHz主频、64KB Flash、20KB RAM，跑一个温湿度采集加OLED显示的程序绰绰有余。它的优势是资料多、价格低、随便一个开发板都能上手。但如果你要做电池供电、要求一节纽扣电池撑半年以上，那就得换STM32L4系列或者STM32U0系列，它们的Stop模式电流能压到微安级，而F103的Stop模式还在几十微安徘徊。
我一般会按这个逻辑走：先算功耗预算。假设用2000mAh的锂电池，目标续航一年，那么平均电流必须控制在0.23mA以内。传感器选低功耗的，比如SHT30在单次测量模式下每次只消耗几毫安持续几毫秒，平均下来可以忽略；屏幕如果常亮，那功耗直接爆表，必须改成按键唤醒或者定时刷新。把这些算清楚，再回头选STM32型号，就不会出现“芯片选好了发现功耗降不下来”的尴尬。
2.2 温湿度传感器：DHT11、SHT30、AHT20的取舍与踩坑点
DHT11是很多人的入门传感器，便宜、单总线、直接出数字量。但它的精度是±2℃和±5%RH，而且响应慢、一致性差，同一批买回来五个能读出五个不同的值。如果你只是做个演示，它没问题；但如果你要写进报告或者做数据记录，DHT11的数据会让你怀疑人生。
SHT30和AHT20是I2C接口的，精度分别是±0.3℃/±3%RH和±0.3℃/±2%RH，价格也就几块钱。它们的优势是出厂校准、一致性好、支持CRC校验。我强烈建议直接用I2C传感器，省下来的调试时间远比省下的几块钱值钱。唯一要注意的是I2C总线的上拉电阻——很多模块自带上拉，但如果你自己画板子，记得在SDA和SCL上各挂一个4.7kΩ到10kΩ的电阻到VCC，否则通信会时好时坏，这种“玄学”问题最耗人。
2.3 供电方案：LDO还是DC-DC，电池供电必须算清这笔账
如果你用USB供电，那随便一个AMS1117-3.3都能用，但要注意它的压差和发热。AMS1117在输入5V、输出3.3V、负载100mA时，自身要消耗0.17W，封装小的话会烫手。更麻烦的是，当电池电压降到3.5V以下时，AMS1117的输出就开始不稳，STM32可能反复复位。
电池供电场景下，我一般会选低压差的LDO，比如XC6206系列，它的压差只有250mV左右，静态电流也小。如果对效率要求更高，比如用单节锂电供电，那就上DC-DC降压，效率能到90%以上。但DC-DC的开关噪声可能干扰传感器，布局时要让电感远离模拟部分，输出端多并几个电容滤波。这些细节在原理图阶段就要定下来，等板子打回来再改就来不及了。
3. 从零搭建：CubeMX配置、I2C驱动和主循环的落地步骤
3.1 用CubeMX把时钟树和I2C外设配到能跑的状态
打开CubeMX，选好芯片型号后，第一件事是配时钟。以STM32F103C8T6为例，外部晶振选8MHz，PLL倍频到72MHz，AHB不分频，APB1分频系数2得到36MHz，APB2不分频得到72MHz。I2C挂在APB1上，所以它的时钟源是36MHz。这个值后面算I2C时序要用到，别配错了。
接着开I2C1，模式选I2C，速度选标准模式100kHz或者快速模式400kHz。SHT30支持400kHz，AHT20也支持，所以直接上400kHz没问题。但如果你用的线比较长或者上拉电阻偏大，400kHz可能出误码，那就降到100kHz。配置完后生成代码，CubeMX会自动初始化GPIO和I2C外设。
/* i2c.c 中 CubeMX 生成的初始化片段 */ hi2c1.Instance = I2C1; hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000; // 400kHz 快速模式 hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 占空比 2:1 hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;这段代码里ClockSpeed设的是SCL频率，DutyCycle在快速模式下才有效，标准模式不用管。NoStretchMode建议保持Disable，让从机可以拉低SCL做时钟延展，否则某些传感器在转换期间会丢数据。
3.2 SHT30单次测量模式的完整驱动代码与CRC校验
SHT30的I2C地址是0x44（ADDR接GND）或0x45（ADDR接VCC）。单次测量模式下，主机发送命令0x2C06（高重复性、时钟拉伸使能），然后等待测量完成，再读6个字节：温度高8位、温度低8位、温度CRC、湿度高8位、湿度低8位、湿度CRC。
/* sht30.c 单次测量读取温湿度 */ #define SHT30_ADDR (0x44 << 1) // HAL库需要左移一位 uint8_t sht30_read(float *temp, float *humi) { uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06}; // 高重复性，时钟拉伸使能 uint8_t data[6] = {0}; uint16_t raw_temp, raw_humi; // 发送测量命令 if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SHT30_ADDR, cmd, 2, 100) != HAL_OK) return 1; // 等待测量完成，高重复性最大耗时15ms HAL_Delay(20); // 读取6字节数据 if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SHT30_ADDR, data, 6, 100) != HAL_OK) return 2; // CRC校验（可选但强烈建议） if (sht30_crc8(data, 2) != data[2]) return 3; if (sht30_crc8(data + 3, 2) != data[5]) return 4; raw_temp = (data[0] << 8) | data[1]; raw_humi = (data[3] << 8) | data[4]; *temp = -45.0f + 175.0f * raw_temp / 65535.0f; *humi = 100.0f * raw_humi / 65535.0f; return 0; } /* CRC-8校验，多项式0x31，初值0xFF */ static uint8_t sht30_crc8(const uint8_t *data, uint8_t len) { uint8_t crc = 0xFF; for (uint8_t i = 0; i < len; i++) { crc ^= data[i]; for (uint8_t b = 0; b < 8; b++) { if (crc & 0x80) crc = (crc << 1) ^ 0x31; else crc <<= 1; } } return crc; }这段代码里HAL_Delay(20)是保守等待，实际高重复性测量最大15ms，但如果你开了时钟拉伸，可以用HAL_I2C_Master_Receive直接阻塞读，传感器会拉低SCL直到数据准备好。CRC校验千万别省，I2C在电机、继电器附近容易受干扰，没有CRC你根本不知道读到的数据是真是假。温度换算公式是数据手册里的标准公式，湿度同理。
3.3 主循环里做滑动平均滤波，别让数据跳得像心电图
传感器原始数据总会有波动，尤其是湿度，开门、呼吸都能让它跳几个百分点。直接显示原始值会让用户觉得系统“不稳”。最简单的处理是滑动平均：开一个长度为N的数组，每次新数据进来就替换最旧的那个，然后求平均。
/* filter.c 滑动平均滤波 */ #define FILTER_LEN 8 typedef struct { float buf[FILTER_LEN]; uint8_t idx; uint8_t count; } filter_t; float filter_update(filter_t *f, float new_val) { float sum = 0; f->buf[f->idx] = new_val; f->idx = (f->idx + 1) % FILTER_LEN; if (f->count < FILTER_LEN) f->count++; for (uint8_t i = 0; i < f->count; i++) sum += f->buf[i]; return sum / f->count; }FILTER_LEN取8是我常用的值，再大响应就迟钝了，再小滤波效果不明显。如果你要更平滑，可以上卡尔曼滤波，但温湿度这种慢变量，滑动平均足够。注意数组长度和count的处理，刚开始数据不够时只平均有效部分，否则会拉低初始值。
4. 避坑指南：I2C死锁、数据跳变和看门狗复位的排查记录
4.1 I2C总线死锁：现象是SCL被拉低不放，原因是主从复位不同步
现象：程序跑一段时间后，I2C通信全部失败，用逻辑分析仪看SCL一直低电平，SDA可能高可能低。原因通常是主机在从机发送数据时复位，或者从机在时钟拉伸期间主机异常，导致从机一直等时钟但主机已经不管了。
解决：在I2C初始化前加一段总线恢复代码，手动切换SCL为GPIO输出，发送9个时钟脉冲，然后发一个Stop条件。具体做法是把SCL和SDA都配成开漏输出，拉高，然后循环9次拉低再拉高SCL，最后拉低SDA再拉高SDA产生Stop。这段代码放在MX_I2C1_Init()之前执行，能解决大部分死锁。
4.2 湿度读数突然跳到100%：不是传感器坏了，是冷凝水在作怪
现象：系统在空调房跑得好好的，拿到室外或者厨房附近，湿度直接跳到95%以上甚至100%，温度也偏高。原因不是传感器故障，而是传感器表面结露了。SHT30的湿度敏感层一旦有水膜，读数就会失真，而且需要很长时间才能恢复。
解决：首先，传感器不要直接对着风口或者贴在金属壳上，留出空气流通空间。其次，如果应用场景湿度可能接近饱和，选带加热功能的传感器，比如SHT31，它可以周期性开启加热器驱散冷凝。软件上，如果连续多次读到湿度>95%，可以标记为“可能结露”，在显示上给出提示而不是直接报数。
4.3 看门狗复位后数据丢失：备份寄存器没用对，等于白喂狗
现象：加了独立看门狗（IWDG）后，系统偶尔复位，但复位后之前累积的统计数据全没了。原因是你把数据只放在RAM里，复位后RAM被重新初始化。STM32有备份寄存器（BKP），由VBAT供电，主电源掉电也不丢，但很多人忘了在CubeMX里使能PWR_CLK和BKP_CLK，也没写解锁代码。
解决：在HAL_Init()之后、看门狗初始化之前，先使能__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE()和__HAL_RCC_BKP_CLK_ENABLE()，然后调用HAL_PWR_EnableBkUpAccess()解锁备份域。之后用HAL_RTCEx_BKUPWrite()写数据，复位后先读出来判断是不是看门狗复位。注意备份寄存器只有几十字节，别拿来存大数组。
4.4 喂狗时间不够：主循环里一个HAL_Delay就把狗喂死了
现象：看门狗超时设了2秒，但系统还是频繁复位。查代码发现主循环里有个HAL_Delay(3000)在等传感器转换。原因很简单，看门狗是独立运行的，你延时3秒，狗早饿了。
解决：要么把看门狗超时设长一点，要么把长延时拆成短延时并在中间喂狗。更好的做法是用定时器中断来喂狗，主循环只管业务，喂狗在中断里做。但要注意，如果主循环卡死，中断还在跑，狗就喂不到了，所以喂狗中断里最好加一个标志位，主循环定期置位，中断检查标志再喂，这样主循环卡死时中断就不会喂狗，狗才能正常复位。
5. 进阶技巧：把数据存进Flash、用RTC做时间戳、低功耗模式实测
5.1 用内部Flash模拟EEPROM存历史数据，注意擦写寿命
STM32F103没有真正的EEPROM，但可以用内部Flash模拟。Flash的擦写寿命是1万次左右，如果你每分钟存一次数据，一天就是1440次，不到一周就把一个扇区写废了。所以不能直接往同一个地址写，要做磨损均衡：把一页Flash分成多个记录槽，每个槽存一条数据，写满一页再擦除整页从头写。
/* flash_log.c 简易Flash日志，每页存32条记录 */ #define PAGE_ADDR 0x0801F000 // 最后一页，根据芯片型号调整 #define PAGE_SIZE 2048 #define SLOT_SIZE 64 #define SLOT_COUNT (PAGE_SIZE / SLOT_SIZE) typedef struct { uint32_t timestamp; float temp; float humi; uint32_t crc; } log_record_t; uint8_t flash_log_write(log_record_t *rec) { static uint8_t slot = 0; uint32_t addr = PAGE_ADDR + slot * SLOT_SIZE; // 检查是否写满，写满则擦除整页 if (slot >= SLOT_COUNT) { HAL_FLASH_Unlock(); FLASH_EraseInitTypeDef erase = {0}; erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES; erase.PageAddress = PAGE_ADDR; erase.NbPages = 1; uint32_t err; HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &err); HAL_FLASH_Lock(); slot = 0; addr = PAGE_ADDR; } // 写入数据 HAL_FLASH_Unlock(); uint32_t *p = (uint32_t *)rec; for (uint8_t i = 0; i < sizeof(log_record_t) / 4; i++) { HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, addr + i * 4, p[i]); } HAL_FLASH_Lock(); slot++; return 0; }这段代码里PAGE_ADDR要根据你的芯片Flash大小来定，别写到程序区去了。SLOT_SIZE取64字节，一条记录16字节，留了余量。每次写之前不用擦除，因为Flash只能把1写成0，不能把0写成1，所以新槽位默认是0xFFFFFFFF，直接写就行。写满一页再擦，这样擦写次数降到原来的1/32。
5.2 RTC时间戳：让每条数据都知道自己“什么时候来的”
没有时间戳的数据记录是没有灵魂的。STM32F103有RTC外设，配一个32.768kHz晶振就能走时。CubeMX里使能RTC，时钟源选LSE，然后开启日历功能。初始化时设一个默认时间，之后每次存数据前调HAL_RTC_GetTime()和HAL_RTC_GetDate()拿时间戳。
注意一个坑：HAL_RTC_GetTime()和HAL_RTC_GetDate()必须成对调用，而且要先读Time再读Date，否则日期可能不更新。另外，RTC的备份域要接VBAT，否则主电源掉电时间就丢了。如果你没有VBAT电池，那每次上电时间都从默认值开始，数据时间戳就乱了。
5.3 低功耗实测：Stop模式下电流从20mA降到80μA的配置清单
如果你要做电池供电，低功耗是绕不过去的。以STM32L4为例，Run模式全速跑大概几mA，Stop2模式能降到1μA以下，但外设要关干净。我实测过一套配置，从20mA降到80μA，关键操作如下：
| 操作项 | 配置 | 说明 |
|---|---|---|
| 系统时钟 | 降频到2MHz | 采集时用MSI，处理完切回 |
| 未用GPIO | 配成模拟输入 | 避免浮空输入漏电 |
| 传感器 | 单次测量后断电 | 用MOS管控制传感器VCC |
| 屏幕 | 定时刷新后关背光 | 背光是功耗大户 |
| 调试接口 | 关闭SWD | 调试完在代码里禁用 |
| RTC | 保留，用LSE | 用于定时唤醒 |
| 看门狗 | 保留，但超时设长 | 低功耗下喂狗间隔要匹配 |
进入Stop模式用HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI)，唤醒后要重新配置系统时钟，因为Stop模式下HSI会关掉。唤醒源可以用RTC闹钟或者外部中断。实测中，80μA的平均电流里，LDO静态电流占了30μA，所以选LDO时一定要看静态电流参数，别只看压差。
5.4 一个我常犯的错误：忘了在唤醒后重新初始化I2C
低功耗模式唤醒后，外设状态可能丢失。我遇到过好几次，Stop模式唤醒后I2C读传感器一直失败，查了半天发现是I2C外设需要重新初始化。后来我在唤醒后的代码里加了一句MX_I2C1_Init()，问题就解决了。这个坑不常遇到，但一旦遇到就很隐蔽，因为逻辑分析仪上看波形是正常的，但数据就是不对。希望帮到你。
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