STM32智能环境监测系统：按键阈值调节与多参数报警功能实现

1. STM32智能环境监测系统概述

在智能家居和工业自动化领域，环境监测系统正变得越来越重要。基于STM32的智能环境监测系统能够实时采集温湿度、烟雾浓度等关键参数，并通过灵活的阈值设置实现精准报警。这个系统特别适合需要环境监控的场景，比如智能家居、仓库管理、农业大棚等。

我最近完成了一个基于STM32F103的环境监测项目，发现它比想象中要复杂得多。系统需要同时处理多个传感器的数据采集、阈值动态调整、多级报警判断以及用户交互等功能。最让我头疼的是如何让按键调节阈值这个功能既灵敏又稳定，经过多次调试才找到最佳方案。

2. 硬件设计与传感器选型

2.1 核心控制器选择

STM32F103系列单片机是这个项目的理想选择，它具备丰富的外设接口和足够的处理能力。我使用的是STM32F103C8T6这款芯片，它有足够的GPIO、ADC和定时器资源，价格也很亲民。在实际使用中，它的72MHz主频完全能够满足实时监测的需求。

2.2 传感器配置方案

系统使用了三种关键传感器：

• DHT11温湿度传感器：负责环境温湿度监测
• MQ-2烟雾传感器：检测可燃气体和烟雾
• MQ-7一氧化碳传感器：监测CO浓度

这些传感器通过不同的接口与STM32连接：

// 传感器接口定义 #define DHT11_GPIO GPIOA #define DHT11_PIN GPIO_Pin_0 #define MQ2_ADC_CHANNEL ADC_Channel_0 #define MQ7_ADC_CHANNEL ADC_Channel_1

2.3 按键电路设计

系统使用4个机械按键实现阈值调节和功能切换：

• KEY1(PA0)：阈值增加
• KEY2(PE2)：阈值减少
• KEY3(PE3)：切换调节参数类型
• KEY4(PE4)：显示当前参数和阈值

按键电路采用上拉电阻设计，通过GPIO输入模式检测按键状态。在实际应用中，我发现添加10ms的软件消抖非常必要，可以避免误触发。

3. 按键阈值调节功能实现

3.1 GPIO按键初始化

首先需要配置按键对应的GPIO引脚为输入模式。我采用了标准库函数进行初始化，这样代码可读性更好：

void Key_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能GPIOA和GPIOE时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); // 配置PA0(KEY1)为上拉输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 配置PE2-PE4(KEY2-KEY4)为上拉输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4; GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); }

3.2 阈值调节逻辑实现

阈值调节功能分为两个部分：数值增减和参数类型切换。我设计了一个状态变量kind来记录当前正在调节的参数类型：

// 参数类型定义 #define TEMP_THRESHOLD 1 #define SMOKE_THRESHOLD 2 #define CO_THRESHOLD 3 u8 kind = TEMP_THRESHOLD; // 默认调节温度阈值 void Yuzhi_change(u8 *yuzhi) { if(KEY1_PRESSED) { // 阈值增加 if(*yuzhi < 99) (*yuzhi)++; LED1_ON; // 指示灯反馈 } else if(KEY2_PRESSED) { // 阈值减少 if(*yuzhi > 1) (*yuzhi)--; LED2_ON; } else { LED1_OFF; LED2_OFF; } } void Yuzhi_kind_change(u8 *kind, u8 *temp, u8 *smoke, u8 *co) { if(KEY3_PRESSED) { // 切换参数类型 *kind = (*kind % 3) + 1; // 循环切换1-3 LED3_ON; delay_ms(300); // 防止快速切换 } else { LED3_OFF; } // 根据当前类型调用阈值调节 switch(*kind) { case TEMP_THRESHOLD: Yuzhi_change(temp); break; case SMOKE_THRESHOLD: Yuzhi_change(smoke); break; case CO_THRESHOLD: Yuzhi_change(co); break; } }

在实际测试中，我发现连续按键时数值变化太快，于是增加了按键长按加速功能：当按键持续按下超过1秒后，调节步长从1变为5，大大提高了调节效率。

4. 多参数报警系统设计

4.1 报警判断逻辑

系统需要同时监测多个环境参数，任何一个参数超过阈值都应触发报警。我采用了分级报警策略，根据超标程度提供不同的报警强度：

void Check_Alarm(float temp, float smoke, float co) { // 读取当前阈值 u8 temp_th = Get_Threshold(TEMP_THRESHOLD); u8 smoke_th = Get_Threshold(SMOKE_THRESHOLD); u8 co_th = Get_Threshold(CO_THRESHOLD); // 判断是否超标 if(temp >= temp_th || smoke >= smoke_th || co >= co_th) { // 触发报警 Buzzer_On(); Alarm_LED_On(); // 分级报警判断 if(temp >= temp_th * 1.5 || smoke >= smoke_th * 1.5 || co >= co_th * 1.5) { // 严重超标，增加报警强度 Buzzer_Set_Freq(2000); Emergency_Relay_On(); // 触发应急设备 } } else { Buzzer_Off(); Alarm_LED_Off(); } }

4.2 报警延时与消抖

为了防止传感器数据波动导致的误报警，我引入了延时判断机制。只有当参数持续超标超过3秒才会真正触发报警，短时间波动会被过滤掉：

// 在报警判断中添加时间判断 static u32 alarm_timer = 0; if(Is_Exceed_Threshold()) { if(alarm_timer == 0) { alarm_timer = Get_System_Tick(); } else if(Get_System_Tick() - alarm_timer > 3000) { Trigger_Real_Alarm(); } } else { alarm_timer = 0; Cancel_Alarm(); }

5. OLED交互界面开发

5.1 显示界面设计

OLED屏幕用于显示环境参数和系统状态。我设计了两个主要界面：

1. 主界面：显示所有传感器的实时数据
2. 设置界面：显示和调节当前阈值

界面切换通过KEY4按键实现，长按3秒进入设置模式：

void OLED_Display_Task(void) { if(display_mode == NORMAL_MODE) { // 显示实时数据 OLED_ShowString(0, 0, "Temp: "); OLED_ShowFloat(40, 0, current_temp); OLED_ShowString(0, 16, "Smoke: "); OLED_ShowFloat(40, 16, current_smoke); OLED_ShowString(0, 32, "CO: "); OLED_ShowFloat(40, 32, current_co); } else { // 显示设置界面 OLED_ShowString(0, 0, "Set Threshold:"); switch(current_kind) { case TEMP_THRESHOLD: OLED_ShowString(0, 16, "Temperature:"); OLED_ShowNumber(80, 16, temp_threshold); break; // 其他参数类似 } } }

5.2 中文显示支持

为了更好的用户体验，我添加了中文显示功能。使用取模软件生成汉字字库，存储在外部Flash中：

void OLED_ShowChinese(u8 x, u8 y, u8 index) { u8 i; u8 *p = Get_Chinese_Font(index); // 从字库获取数据 for(i=0; i<16; i++) { OLED_WR_Byte(x, y+i, p[i]); } }

在实际项目中，我发现直接使用英文字符串更节省存储空间，但对于必须使用中文的场景，这种方法非常有效。

6. 系统优化与调试技巧

6.1 低功耗设计

为了降低系统功耗，我采取了以下措施：

1. 传感器定时采样而非连续采样
2. OLED屏幕在不操作时降低亮度
3. STM32进入睡眠模式，通过外部中断唤醒

void Enter_Low_Power_Mode(void) { // 关闭不必要的外设时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, DISABLE); // 配置唤醒源(按键中断) EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0; // PA0 EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); // 进入停止模式 PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI); }

6.2 抗干扰设计

工业环境中电磁干扰严重，我通过以下方法提高系统稳定性：

1. 所有传感器信号线加磁珠滤波
2. PCB布局时模拟和数字地分开
3. 软件上采用数字滤波算法

// 滑动平均滤波实现 #define FILTER_LEN 5 float Filter_Data(float new_data) { static float buffer[FILTER_LEN] = {0}; static u8 index = 0; float sum = 0; buffer[index] = new_data; index = (index + 1) % FILTER_LEN; for(u8 i=0; i<FILTER_LEN; i++) { sum += buffer[i]; } return sum / FILTER_LEN; }

7. 项目扩展与进阶功能

7.1 无线通信模块

可以通过ESP8266 WiFi模块实现远程监控。我测试了AT指令方式连接云平台：

void WiFi_Send_Data(float temp, float smoke, float co) { char cmd[128]; sprintf(cmd, "AT+CIPSEND=%d", strlen(data)); Send_AT_Cmd(cmd); sprintf(data, "{\"temp\":%.1f,\"smoke\":%.1f,\"co\":%.1f}", temp, smoke, co); Send_AT_Cmd(data); }

7.2 数据记录功能

添加SD卡模块可以记录历史数据，便于后期分析。我使用了SPI接口的MicroSD卡模块：

void Save_To_SD_Card(float temp, float smoke, float co) { FIL file; char line[64]; f_open(&file, "datalog.txt", FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE); f_lseek(&file, f_size(&file)); sprintf(line, "%lu,%.1f,%.1f,%.1f\r\n", Get_Unix_Time(), temp, smoke, co); f_write(&file, line, strlen(line), &bytes_written); f_close(&file); }

这个STM32智能环境监测系统从硬件设计到软件开发，每个环节都需要仔细考虑实际应用场景。按键阈值调节功能虽然看似简单，但要做好用户体验需要反复调试。多参数报警系统则需要注意各传感器特性的差异，不能简单套用相同的判断逻辑。