【嵌入式开发学习】第10天：项目实战（智能温湿度报警器）-优快云博客

核心目标：整合前 9 天所有知识点（GPIO、定时器、串口、I2C、DMA、FreeRTOS），开发一个 “智能温湿度报警器”—— 实时采集温湿度、通过按键设置阈值、超标时 LED + 蜂鸣器报警、支持串口查看数据和远程修改阈值，完成从 “知识点” 到 “产品级应用” 的闭环，体验嵌入式开发的完整流程。

一、项目需求与架构设计（20 分钟）

1. 核心功能

实时采集：通过 AHT10 传感器（I2C）采集温湿度，1 秒更新一次；
阈值设置：板载按键（GPIO 输入）设置温度上限（如 30℃）和湿度上限（如 60% RH）；
报警功能：温湿度超限时，LED 闪烁 + 蜂鸣器鸣叫（GPIO 输出）；
数据交互：串口（DMA）上传实时数据和报警信息，支持电脑发送指令修改阈值；
多任务管理：用 FreeRTOS 实现 “采集 + 按键检测 + 报警 + 串口通信”4 任务并行，互不阻塞。

2. 硬件清单

STM32F103C8T6 开发板、AHT10 温湿度传感器（I2C）；
按键 2 个（设置温度阈值 / 湿度阈值）、蜂鸣器 1 个（有源）、LED1 个；
USB-TTL 模块（串口通信）、杜邦线、面包板。

3. 系统架构（FreeRTOS 任务分配）

任务名称	优先级	功能描述	核心外设
采集任务	2	1 秒采集一次温湿度，更新全局变量	I2C、定时器
按键检测任务	3	检测按键按下，修改阈值（高优先级）	GPIO 输入
报警判断任务	2	对比实时数据与阈值，触发报警	GPIO 输出（蜂鸣器、LED）
串口通信任务	1	DMA 发送数据，接收远程指令	USART1、DMA

二、硬件接线（10 分钟，关键！）

外设	引脚连接（STM32F103C8T6）	备注
AHT10	VCC→3.3V，GND→GND，SCL→PB6，SDA→PB7	I2C1 通信
按键 1（温度阈值）	一端→PA0，另一端→GND	下拉输入（按下时为低电平）
按键 2（湿度阈值）	一端→PA1，另一端→GND	下拉输入（按下时为低电平）
蜂鸣器	VCC→3.3V，GND→PB8（通过三极管驱动）	低电平触发鸣叫（GPIO 输出）
LED	正极→PC13（串联 1k 电阻），负极→GND	低电平点亮（GPIO 输出）
串口（USB-TTL）	TX→PA10，RX→PA9，GND→GND	USART1 通信，DMA 发送

三、CubeIDE 配置（30 分钟，模块化配置）

1. 基础配置

芯片选择：STM32F103C8T6；
时钟配置：HSE=8MHz，系统时钟 = 72MHz，APB1=36MHz，APB2=72MHz。

2. 外设配置

I2C1：Mode=I2C，时钟频率 = 100kHz，PB6=SCL，PB7=SDA（上拉）；
USART1：异步模式，波特率 = 9600，PA9=TX，PA10=RX；DMA 配置：添加 TX 方向（DMA1_Channel4，内存→外设，正常模式）；
GPIO：
- PA0、PA1：GPIO_Input（按键，下拉输入）；
- PB8：GPIO_Output（蜂鸣器，推挽输出）；
- PC13：GPIO_Output（LED，推挽输出）；
FreeRTOS：CMSIS_V1，创建 4 个任务（按架构设计配置优先级和栈大小）；
NVIC：使能 I2C、USART1、按键中断（若用中断检测按键）。

3. 生成代码

点击 “Project→Generate Code”，CubeIDE 自动生成初始化代码和 FreeRTOS 任务框架。

四、核心代码实现（60 分钟，分模块编写）

1. 全局变量定义（`main.c`头部，任务间共享数据）

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <string.h>

// 传感器数据
float temp = 0.0, humi = 0.0;
// 阈值（默认温度30℃，湿度60%RH）
float temp_threshold = 30.0, humi_threshold = 60.0;
// 报警状态（0=正常，1=温度超标，2=湿度超标，3=两者都超标）
uint8_t alarm_state = 0;
// 串口发送缓冲区
uint8_t uart_send_buf[100];
/* USER CODE END 0 */

2. AHT10 传感器驱动（复用第八天代码，略作修改）

/* USER CODE BEGIN 0 */
// AHT10初始化和数据读取函数（同第八天，确保返回温度和湿度）
uint8_t AHT10_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { ... }
uint8_t AHT10_ReadData(I2C_HandleTypeDef *hi2c, float *temp, float *humi) { ... }
/* USER CODE END 0 */

3. FreeRTOS 任务实现（`main.c`的 “USER CODE BEGIN 5”）

任务 1：温湿度采集任务（1 秒一次）

void TempHumi_Collect_Task(void const * argument)
{
  AHT10_Init(&hi2c1);  // 初始化传感器
  for(;;)
  {
    // 读取温湿度（更新全局变量temp、humi）
    AHT10_ReadData(&hi2c1, &temp, &humi);
    vTaskDelay(1000);  // 1秒采集一次
  }
}

任务 2：按键检测任务（检测阈值设置）

void Key_Detect_Task(void const * argument)
{
  uint8_t key1_state = 1, key2_state = 1;  // 按键初始状态（高电平，未按下）
  for(;;)
  {
    // 检测按键1（温度阈值+1℃，按下一次加1）
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == 0) {  // 按键按下（低电平）
      if (key1_state == 1) {  // 边沿检测（只触发一次）
        temp_threshold += 1.0;
        if (temp_threshold > 40.0) temp_threshold = 40.0;  // 上限40℃
        // 串口反馈阈值修改
        sprintf((char*)uart_send_buf, "温度阈值已修改为：%.1f℃\r\n", temp_threshold);
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_send_buf, strlen((char*)uart_send_buf));
      }
      key1_state = 0;
    } else {
      key1_state = 1;
    }

    // 检测按键2（湿度阈值+5%RH，按下一次加5）
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == 0) {
      if (key2_state == 1) {
        humi_threshold += 5.0;
        if (humi_threshold > 90.0) humi_threshold = 90.0;  // 上限90%RH
        sprintf((char*)uart_send_buf, "湿度阈值已修改为：%.1f%%RH\r\n", humi_threshold);
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_send_buf, strlen((char*)uart_send_buf));
      }
      key2_state = 0;
    } else {
      key2_state = 1;
    }

    vTaskDelay(50);  // 50ms检测一次，消抖
  }
}

任务 3：报警判断任务（实时对比阈值）

void Alarm_Check_Task(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
    // 判断报警状态
    alarm_state = 0;
    if (temp > temp_threshold) alarm_state |= 1;  // 温度超标
    if (humi > humi_threshold) alarm_state |= 2;  // 湿度超标

    // 执行报警动作
    if (alarm_state != 0) {
      // 超标：LED闪烁+蜂鸣器鸣叫
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);  // 蜂鸣器响
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // LED亮
      vTaskDelay(300);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // LED灭
      vTaskDelay(300);
    } else {
      // 正常：关闭报警
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);    // 蜂鸣器关
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // LED灭
      vTaskDelay(100);  // 100ms检测一次
    }
  }
}

任务 4：串口通信任务（数据上传 + 远程指令）

void UART_Comm_Task(void const * argument)
{
  uint8_t uart_recv_buf[20] = {0};
  for(;;)
  {
    // 1. 每2秒发送一次实时数据
    sprintf((char*)uart_send_buf, 
            "实时数据：温度=%.1f℃（阈值=%.1f），湿度=%.1f%%RH（阈值=%.1f），状态：%s\r\n",
            temp, temp_threshold, humi, humi_threshold,
            (alarm_state == 0) ? "正常" : "超标报警");
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_send_buf, strlen((char*)uart_send_buf));
    vTaskDelay(2000);

    // 2. 接收电脑指令（格式："T30"→温度阈值30℃，"H60"→湿度阈值60%RH）
    HAL_UART_Receive(&huart1, uart_recv_buf, 4, 100);  // 超时100ms
    if (uart_recv_buf[0] == 'T') {  // 修改温度阈值
      temp_threshold = atof((char*)&uart_recv_buf[1]);  // 字符串转浮点数
      sprintf((char*)uart_send_buf, "远程修改温度阈值为：%.1f℃\r\n", temp_threshold);
      HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_send_buf, strlen((char*)uart_send_buf));
    } else if (uart_recv_buf[0] == 'H') {  // 修改湿度阈值
      humi_threshold = atof((char*)&uart_recv_buf[1]);
      sprintf((char*)uart_send_buf, "远程修改湿度阈值为：%.1f%%RH\r\n", humi_threshold);
      HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_send_buf, strlen((char*)uart_send_buf));
    }
    memset(uart_recv_buf, 0, sizeof(uart_recv_buf));  // 清空接收缓冲区
  }
}

五、系统测试与调试（30 分钟，关键验证）

1. 基础功能测试

传感器采集：串口每 2 秒收到温湿度数据，数值随环境变化；
按键设置：按下按键 1，温度阈值 + 1℃并串口反馈；按下按键 2，湿度阈值 + 5% RH；
报警功能：用手捂住 AHT10（升温加湿），温湿度超限时，LED 闪烁 + 蜂鸣器鸣叫。

2. 远程控制测试

电脑串口助手发送指令 “T32”→ 温度阈值改为 32℃，串口反馈修改成功；
发送指令 “H65”→ 湿度阈值改为 65% RH，系统按新阈值判断报警。

3. 多任务并行验证

报警时，按键仍可修改阈值，串口仍能上传数据 —— 证明 4 个任务并行不阻塞。

六、第十天总结：嵌入式开发的完整流程（10 分钟）

通过这个实战项目，你已掌握嵌入式开发的核心流程：

需求分析：明确系统要实现什么功能；
硬件选型与接线：根据需求选外设，设计电路连接；
软件架构设计：拆分任务，分配资源（如 FreeRTOS 任务优先级）；
模块化开发：分外设驱动（传感器、按键、串口）、业务逻辑（采集、报警）编写代码；
测试与调试：逐步验证功能，解决硬件接线错误、逻辑漏洞等问题。