STM32智能空氣凈化器項目開發

一、項目概述

本空氣凈化器項目基于STM32F4系列微控制器，整合多傳感器數據采集、環境參數顯示、網絡通信及執行機構控制等功能，實現智能化空氣質量管理。項目采用FreeRTOS實時操作系統進行多任務調度，結合TFT觸摸屏實現人機交互，通過ESP8266接入阿里云物聯網平臺實現遠程監控。本文將從硬件架構、軟件設計、關鍵模塊配置等方面進行深度解析。

二、硬件系統架構
1. 核心控制器

采用STM32F407ZGT6，基于Cortex-M4內核，168MHz主頻，集成FPU和豐富外設資源，滿足實時控制需求。

2. 傳感器模塊
  • SGP30：I2C接口，檢測CO?和TVOC濃度
  • PM2.5傳感器：模擬輸出，ADC采集顆粒物數據
  • DHT11：單總線數字溫濕度傳感器
  • PAJ7620U2：手勢識別傳感器，I2C通信
3. 執行機構
  • SG90舵機：控制凈化器蓋板開合
  • 直流風扇：PWM調速控制風量
  • UV殺菌燈：GPIO開關控制
4. 人機交互
  • 2.4寸TFT液晶屏（240x240），SPI接口
  • 矩陣鍵盤輸入
  • 蜂鳴器狀態提示
5. 通信模塊
  • ESP8266 WiFi模塊：AT指令接入MQTT協議
  • HC-05藍牙模塊：備用本地通信
6. 系統框架圖
+-------------------+     +-----------------+
|   傳感器采集層      |<--->| STM32F4主控     |
| (CO?/PM2.5/溫濕度) |     | (FreeRTOS調度)  |
+-------------------+     +-----------------+|   |   |+-----------+   |   +-----------+|               |               |+----------------+  +-----------+  +------------+| 執行控制層      |  | 通信層     |  | 人機交互層  || (風扇/PWM/舵機) |  | (WiFi/BLE)|  | (TFT/按鍵)|+----------------+  +-----------+  +------------+
三、軟件開發環境搭建
1. 工具鏈配置

  • IDE：Keil MDK-ARM V5

  • 編譯器：ARMCC V6

  • 調試工具：J-Link V9

庫支持

：

  • STM32標準外設庫/HAL庫
  • FreeRTOS V10.3.1
  • LVGL圖形庫（可選）
2. 工程結構規劃

c

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Project/
├── CMSIS/              // 內核支持文件
├── Drivers/
│   ├── STM32F4xx_HAL_Driver/ 
│   └── BSP/            // 板級支持包
├── Middlewares/
│   └── FreeRTOS/       // RTOS源碼
├── Application/
│   ├── Inc/            // 頭文件
│   ├── Src/            // 應用源碼
│   └── Tasks/          // FreeRTOS任務
└── Utilities/           // 調試工具
四、FreeRTOS任務設計
1. 任務劃分原則
  • 高優先級：關鍵控制任務（如PWM輸出）
  • 中優先級：網絡通信、傳感器采集
  • 低優先級：界面刷新、非實時任務
2. 典型任務定義（文檔1）

c

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static TaskHandle_t app_task_init_handle = NULL;
static TaskHandle_t g_app_task_mqtt_handle = NULL;static void app_task_init(void* pvParameters) {// 硬件初始化while(1) {vTaskDelay(1000); // 1s周期}
}void RTOS_TaskCreate(void) {xTaskCreate(app_task_init, "Init", 128, NULL, 4, &app_task_init_handle);xTaskCreate(app_task_mqtt, "MQTT", 256, NULL, 3, &g_app_task_mqtt_handle);// ...其他任務
}
3. 任務間通信
  • 隊列（Queue）：傳輸傳感器數據包
  • 信號量（Semaphore）：同步網絡連接狀態
  • 事件組（Event Group）：多任務協同
五、關鍵模塊配置詳解
1. TFT顯示屏驅動（文檔4、5）

SPI配置要點：

c

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void SPI1_Init(void) {SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct = {0};// 時鐘極性/相位配置SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);
}

DMA優化刷屏：

c

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void lcd_fill(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h, uint16_t color) {lcd_addr_set(x, y, x+w-1, y+h-1);HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, (uint8_t*)&color, 2); 
}
2. SGP30氣體傳感器（文檔6、7）

I2C讀時序實現：

c

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uint8_t SGP30_Read(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint8_t len) {I2C_Start();I2C_Send_Byte(SGP30_ADDR_WRITE);I2C_Send_Byte(reg);I2C_Start();I2C_Send_Byte(SGP30_ADDR_READ);while(len--) {*buf++ = I2C_Read_Byte(len == 0);}I2C_Stop();return 0;
}

數據校驗處理：

c

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if(crc8(&data[0], 2) != data[2]) {// CRC校驗失敗處理
}
3. PM2.5傳感器（文檔14、15）

ADC采集配置：

c

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void PM25_ADC_Init(void) {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};hadc1.Instance = ADC1;hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;HAL_ADC_Init(&hadc1);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}
4. 舵機控制（文檔8、9）

PWM生成配置：

c

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void SG90_Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel) {TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};htim->Instance = TIM4;htim->Init.Prescaler = 84-1; // 84MHz/84 = 1MHzhtim->Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim->Init.Period = 20000-1; // 20ms周期HAL_TIM_PWM_Init(htim);sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse = 1500; // 初始1.5msHAL_TIM_PWM_ConfigChannel(htim, &sConfigOC, channel);HAL_TIM_PWM_Start(htim, channel);
}
六、網絡通信實現
1. ESP8266 AT指令流程（文檔29、30）

c

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bool ESP8266_ConnectAP(const char *ssid, const char *pwd) {SendATCommand("AT+CWMODE=1", "OK", 2000);sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"", ssid, pwd);if(SendATCommand(cmd, "OK", 10000)) {return true;}return false; 
}
2. MQTT協議接入（文檔31、32）

阿里云三元組配置：

c

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#define PRODUCT_KEY    "a1F3hCBQ4Uk"
#define DEVICE_NAME    "smartdevice2"
#define DEVICE_SECRET  "68e0ed6daea86eb0b26521b3d96d1fffaa1c03cb6f135c6cbaedd3d7ca5dc1aa"void MQTT_Connect(void) {// 生成clientID/username/password// ...HMAC-SHA256加密過程mqtt_client.connect(clientId, username, password); 
}

數據上報格式：

json

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{"id": "123","params": {"PM25": {"value": 35},"CO2": {"value": 450},"Temp": {"value": 25.6}},"version":"1.0"
}
七、系統整合與調試
1. 任務優先級分配表
任務名稱優先級堆棧大小功能描述
App_TaskPWM4128風扇/PWM控制
App_TaskSensor3256傳感器數據采集
App_TaskMQTT2512網絡通信
App_TaskGUI11024界面刷新
2. 調試技巧
  • 傳感器數據異常：使用邏輯分析儀抓取I2C波形
  • WiFi連接失敗：AT指令手動調試+串口日志輸出
  • 內存溢出：FreeRTOS堆棧檢測函數uxTaskGetStackHighWaterMark()
3. 功耗優化策略
  • 動態調整采集頻率
  • 空閑任務自動進入STOP模式
  • 網絡心跳包間隔優化
八、項目總結與擴展

本項目實現了空氣凈化器核心功能，后續可擴展：

  1. 增加手機APP控制（接入阿里云生活物聯網平臺）
  2. 實現語音控制（集成LD3320語音模塊）
  3. 添加濾芯壽命監測
  4. 開發節能模式（根據環境自動調節）

通過本項目的實踐，開發者可掌握STM32在多任務環境下的開發方法、傳感器數據融合處理技術及物聯網系統的構建流程，為復雜嵌入式系統開發奠定堅實基礎。

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