用 STM32F407VET6 做一个温湿度监测系统（附代码）

用 STM32F407VET6 搭建一个温湿度监测系统：从时序踩坑到稳定输出

你有没有遇到过这样的情况？明明电路接得没问题，代码也照着例程写的，可 DHT11 就是“间歇性罢工”——一会儿能读出数据，一会儿又超时失败。更离谱的是，换块板子、换个传感器，问题居然还跟着变？

这其实不是玄学，而是嵌入式开发里最真实的战场： 硬件时序的毫厘之争 。

今天我们就以 STM32F407VET6 为核心，手把手实现一个真正可靠的温湿度采集系统。不玩虚的，不堆术语，只讲你在调试过程中会真真切切踩到的坑，以及怎么一步步把它填平。

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为什么选 STM32F407VET6？它真的比 F1 强那么多吗？

说实话，如果你只是做个简单的温湿度显示，STM32F103C8T6（蓝丸）完全够用。但一旦你开始考虑扩展功能——比如加上 OLED 显示、Wi-Fi 上云、本地存储、甚至做点简单的滤波算法，F1 的性能瓶颈就来了。

而 STM32F407VET6，这块 LQFP100 封装的“小钢炮”，主频直接飙到 168MHz ，带 FPU 浮点单元，SRAM 高达 192KB，外设资源更是全面开花：3 个 USART、3 个 SPI、2 个 I2C……关键是价格也不贵，批量采购也就十几块钱。

更重要的是，它的 HAL 库生态成熟，CubeMX 配置顺滑，适合快速原型开发。我们这次项目虽然看起来简单，但它是一个绝佳的练手机会——你可以借此掌握 GPIO 精确控制、定时器延时、UART 调试输出等核心技能。

🧠 小贴士：别小看这个芯片，很多工业 HMI、电机控制器、PLC 模块的主控就是它。

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DHT11：便宜好用，但“脾气”不小

DHT11 是初学者最爱的传感器之一，单总线、5V 兼容、价格不到五块钱。但它有个致命弱点： 对时序极其敏感 。

你以为它只是发个数据？错。整个通信过程就像一场精密的“电平舞蹈”，每一步都必须卡在点上：

1. 主机先拉低至少 18ms ，告诉 DHT11：“我要开始啦！”
2. DHT11 回应：拉低 80μs ，再拉高 80μs
3. 然后才开始传 40 位数据
4. 每一位通过高电平持续时间区分是 0 还是 1 ：
   - 0 ：高电平约 26~28μs
   - 1 ：高电平约 70μs

听起来不难？那你一定没在实际项目中被它折磨过 😅

常见翻车现场

• ❌ 使用 HAL_Delay(1) 实现微秒级延时 → 不行！最小单位是 ms
• ❌ 忽略响应阶段的超时检测 → 程序卡死在 while 循环里
• ❌ 没加外部上拉电阻 → 信号上升沿拖尾严重
• ❌ 连续读取间隔小于 1 秒 → DHT11 直接拒绝服务

这些问题都会导致一个结果： 偶尔成功，频繁失败 。

所以我们的目标不是“让代码跑起来”，而是让它 在各种环境下都能稳定运行 。

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如何搞定微秒级延时？别再用 for 循环了！

这是新手最容易掉进去的坑。很多人为了省事，写个空循环来延迟几微秒：

void delay_us(uint32_t us) {
    while (us--) {
        __NOP(); __NOP(); __NOP(); // ……数不清几个 NOP
    }
}

这种方法不仅不可靠，还会因为编译器优化直接被干掉（O2 优化下可能变成一条指令都不剩）。而且不同主频下表现完全不同，移植性极差。

正确做法：基于 SysTick 或 TIM 定时器

我们选择使用 SysTick 来实现高精度延时，因为它独立于 HAL_Delay()，不会被打断。

// delay.h
#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H

#include "stm32f4xx_hal.h"

void delay_init(void);
void delay_us(uint32_t us);
void delay_ms(uint32_t ms);

#endif

// delay.c
#include "delay.h"

static uint32_t ticks_per_us = 0;

void delay_init(void) {
    // 基于系统时钟设置每微秒对应的 SysTick 计数值
    ticks_per_us = SystemCoreClock / 1000000;  // 例如 168MHz -> 168
}

void delay_us(uint32_t us) {
    uint32_t start = SysTick->VAL;
    uint32_t wait_ticks = us * ticks_per_us;

    while ((start - SysTick->VAL) < wait_ticks) {
        // 空转等待
    }
}

void delay_ms(uint32_t ms) {
    HAL_Delay(ms);  // 毫秒级可以直接用 HAL
}

⚠️ 注意：SysTick->VAL 是向下计数器，值从 LOAD 到 0 反复循环。所以我们比较的是“经过的时间”。

这个 delay_us() 函数精度可以达到 ±1μs，在大多数场景下足够用了。当然，如果你追求更高精度，可以用 DWT Cycle Counter（Data Watchpoint and Trace），但需要额外使能。

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DHT11 驱动重构：从“能用”到“可靠”

现在进入重头戏。我们要重新设计 DHT11 的驱动逻辑，确保每一个步骤都有 超时保护 和 状态反馈 。

先来看结构体定义：

// dht11.h
typedef struct {
    uint8_t humidity_int;   // 湿度整数部分
    uint8_t humidity_dec;   // 湿度小数部分（DHT11 固定为 0）
    uint8_t temp_int;       // 温度整数部分
    uint8_t temp_dec;       // 温度小数部分（同上）
    uint8_t checksum;       // 校验和
} DHT11_DataTypedef;

接下来是关键函数 DHT11_Read() ，我们将它拆解成几个阶段处理：

第一阶段：发送启动信号

// 设置为推挽输出模式
GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
gpio.Pin = DHT11_PIN;
gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
gpio.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &gpio);

// 拉低至少 18ms
HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_RESET);
delay_ms(18);

// 拉高并延时 20~40μs 给予上升沿时间
HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_SET);
delay_us(30);

注意这里不能立刻切换输入模式，要留一点时间让总线上升到位。

第二阶段：等待 DHT11 响应

这才是最容易出问题的地方。我们必须检测两个跳变沿：

// 切换为输入模式
gpio.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
gpio.Pull = GPIO_PULLUP;  // 启用内部上拉
HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &gpio);

uint32_t timeout;

// 等待 DHT11 拉低（应答开始）
timeout = 10000;  // 约 10ms 超时
while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) && --timeout);
if (!timeout) return HAL_ERROR;  // 超时说明没收到响应

// 等待 DHT11 拉高（80μs）
timeout = 10000;
while (!HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) && --timeout);
if (!timeout) return HAL_ERROR;

// 等待 DHT11 再次拉低（80μs）
timeout = 10000;
while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) && --timeout);
if (!timeout) return HAL_ERROR;

这三个 while 循环缺一不可。任何一个失败，都意味着通信未建立。

第三阶段：接收 40 位数据

这里是真正的“逐位采样”。由于每位的起始是低→高跳变，我们先等待上升沿，然后在中间位置判断电平长短：

uint8_t R[5] = {0};

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    for (int j = 0; j < 8; j++) {
        // 等待每一位的起始高电平
        timeout = 10000;
        while (!HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) && --timeout);
        if (!timeout) return HAL_ERROR;

        // 延迟 40μs 后读取电平
        delay_us(40);
        if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN)) {
            R[i] |= (1 << (7 - j));  // 是 '1'
        }

        // 等待当前位结束（下一个低电平到来）
        timeout = 10000;
        while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN) && --timeout);
        if (!timeout) return HAL_ERROR;
    }
}

为什么是 delay_us(40) ？因为：
- 如果是 0 ，高电平只有 ~27μs，40μs 后已经回落；
- 如果是 1 ，高电平有 ~70μs，40μs 后仍是高电平。

这就是典型的“中值判别法”。

第四阶段：校验与返回

最后一步别忘了验证数据完整性：

if ((R[0] + R[1] + R[2] + R[3]) == R[4]) {
    data->humidity_int = R[0];
    data->humidity_dec = R[1];  // 实际为 0
    data->temp_int = R[2];
    data->temp_dec = R[3];      // 实际为 0
    data->checksum = R[4];
    return HAL_OK;
} else {
    return HAL_ERROR;
}

DHT11 的校验和是前四字节之和，非常简单但也有效。

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串口调试：让 printf 成为你的眼睛

在嵌入式开发中，没有日志等于闭眼开车。幸运的是，我们可以把 printf 重定向到 UART，实时查看运行状态。

配置 USART2

使用 CubeMX 配置 USART2：
- 波特率：115200
- 数据位：8
- 停止位：1
- 无校验
- TX 引脚映射到 PA2（或你实际使用的引脚）

生成代码后，在 main.c 中添加如下重定向函数：

#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE {
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

这样你就可以直接用：

printf("Temp: %d°C, Humidity: %d%%\r\n", temp, humi);

再也不用手动拼字符串了 ✅

💡 提示：如果发现打印乱码，优先检查波特率是否匹配、晶振频率配置是否正确。

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主程序逻辑：不只是无限循环

很多教程到这里就结束了，但实际上还有很多细节值得打磨。

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();           // 168MHz
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    delay_init();

    printf("🌡️  DHT11 Monitoring Started...\r\n");

    DHT11_DataTypedef sensor_data;

    while (1) {
        HAL_StatusTypeDef status = DHT11_Read(&sensor_data);

        if (status == HAL_OK) {
            printf("✅ Temp: %d°C | Humidity: %d%%\r\n",
                   sensor_data.temp_int,
                   sensor_data.humidity_int);
        } else {
            printf("❌ DHT11 Read Failed!\r\n");
        }

        HAL_Delay(2000);  // 2秒采集一次
    }
}

看起来很简单，但我们还可以做得更好：

✅ 加入重试机制

int retry = 0;
while (retry < 3) {
    if (DHT11_Read(&sensor_data) == HAL_OK) break;
    retry++;
    HAL_Delay(100);
}

if (retry < 3) {
    printf("✅ Success after %d retries\r\n", retry);
} else {
    printf("💀 All retries failed.\r\n");
}

避免单次异常导致整个系统误判。

✅ 数据滤波建议

对于长期监测应用，可以加入滑动平均滤波：

#define FILTER_SIZE 5
float temp_buf[FILTER_SIZE] = {0};
int idx = 0;

// 更新缓冲区
temp_buf[idx] = (float)sensor_data.temp_int;
idx = (idx + 1) % FILTER_SIZE;

// 计算均值
float avg_temp = 0;
for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
    avg_temp += temp_buf[i];
}
avg_temp /= FILTER_SIZE;

能有效消除偶然误差。

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硬件设计那些事：别让“小问题”毁了整个项目

软件写得再好，硬件不过关照样白搭。以下是几个实战经验总结：

🔌 上拉电阻一定要加！

DHT11 的数据引脚是开漏输出，必须外接上拉电阻。推荐阻值 4.7kΩ ~ 10kΩ ，接在 VCC 和 DATA 之间。

虽然 STM32 有内部上拉，但其阻值较大（通常 >40kΩ），可能导致上升沿缓慢，影响时序判断。

⚡ 电源去耦不可少

在 DHT11 的 VCC 和 GND 之间并联一个 0.1μF 陶瓷电容 ，靠近焊盘放置。这能吸收瞬态干扰，防止因电压波动导致初始化失败。

📏 走线不要太长

传感器引线尽量短， 不超过 20cm 。太长容易引入电磁干扰，特别是在电机、继电器附近使用时。

若必须远距离传输，建议改用数字接口传感器（如 SHT30 via I2C）或增加信号调理电路。

🧊 工作环境限制

DHT11 并不适合所有场合：
- 温度范围仅 0~50°C，超出可能损坏
- 湿度测量在 20%~90%RH 较准，极端干燥或潮湿偏差大
- 长期处于高温高湿环境会加速老化

如果是粮仓、温室、地下室等场景，建议升级为 SHT30 或 SHT40 ，I2C 接口、精度高、稳定性强。

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扩展思路：不止于串口打印

你现在有了一个能稳定采集温湿度的 STM32 节点，下一步想做什么？

🖥️ 添加 OLED 显示屏（I2C）

用 SSD1306 驱动的 0.96 寸 OLED，本地显示温度和湿度曲线，无需电脑也能监控。

ssd1306_Init();
ssd1306_Fill(Black);
ssd1306_SetCursor(10, 10);
ssd1306_WriteString("Temp:", Font_11x18, White);
ssd1306_WriteString(temp_str, Font_11x18, White);
ssd1306_UpdateScreen();

视觉效果立马提升一个档次 👌

🌐 接入 ESP8266 上云

通过 UART 连接 ESP-01S 模块，将数据上传至阿里云 IoT、ThingsBoard 或自建 MQTT 服务器。

AT+CIPSTART="TCP","iot.example.com",1883
AT+CIPSEND=...
{"temp":23,"humi":56,"time":1712345678}

实现远程监控和历史数据分析。

📂 记录到 SD 卡

配合 FATFS 文件系统，每隔一段时间记录一条数据到 CSV 文件，可用于后期分析趋势。

f_open(&fil, "data.csv", FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE);
f_lseek(&fil, f_size(&fil));
f_printf(&fil, "%lu,%d,%d\r\n", timestamp, temp, humi);
f_close(&fil);

变身简易数据记录仪。

🔋 低功耗优化（STOP 模式）

如果用于野外或电池供电场景，可以在两次采集之间进入 STOP 模式：

__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
HAL_PWREx_EnableLowPowerRunMode();  // 进入低功耗运行模式
HAL_SuspendTick();                  // 暂停 SysTick
HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

// 唤醒后恢复
SystemClock_Config();
HAL_ResumeTick();

电流可以从几十 mA 降到几 μA，续航能力大幅提升。

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写到最后：做一个“靠谱”的工程师

这个项目看似简单，但它涵盖了嵌入式开发的几乎所有基础模块：时钟配置、GPIO 控制、精确延时、协议解析、串口通信、错误处理……

更重要的是，它教会我们一件事： 可靠性比功能性更重要 。

你能写出一百个花哨的功能，但如果系统三天两头死机、数据不准、通信中断，用户根本不会买单。

而真正优秀的嵌入式工程师，不是看他写了多少行炫酷代码，而是看他能不能把一个“看起来很简单的任务”，做到 在各种条件下都稳定运行 。

就像我们现在做的这个温湿度系统——它可能永远都不会拿去参展，也不会成为爆款产品，但它会让你明白：原来那 18ms 的拉低、那 80μs 的响应、那一个小小的上拉电阻，都在默默决定着系统的成败。

而这，才是硬核技术的魅力所在 💪