基于STM32F103单片机的气象站PM2.5监测温湿度监测大气压监测

1. 适用场景

基于STM32F103单片机的气象站监测系统是一款功能全面的环境监测解决方案，适用于多种应用场景：

室内环境监测：可部署在家庭、办公室、学校等室内场所，实时监测PM2.5浓度、温湿度和大气压变化，为健康生活提供数据支持。

工业环境监控：适用于工厂车间、仓库等工业环境，监测空气质量参数，确保工作环境符合安全标准。

农业气象监测：在温室大棚、农田等农业场景中，监测温湿度变化对作物生长的影响，为精准农业提供数据依据。

科研教育应用：作为嵌入式系统学习和环境监测研究的教学平台，帮助学生理解传感器原理和数据处理技术。

智能家居集成：可集成到智能家居系统中，实现环境参数的自动化控制和远程监控。

2. 适配系统与环境配置要求

硬件组件要求

核心控制器：STM32F103C8T6（蓝莓开发板），具备72MHz主频、64KB Flash和20KB RAM，提供充足的运算能力和存储空间。

传感器模块：

• PM2.5传感器：SDS011激光粉尘传感器，支持UART通信，测量范围0-999.9μg/m³
• 温湿度传感器：DHT22数字温湿度传感器，温度测量范围-40~80℃，精度±0.5℃
• 大气压传感器：BME280集成环境传感器，支持I2C/SPI接口，压力测量范围300-1100hPa

显示模块：可选SSD1306 OLED显示屏，用于本地数据显示

通信模块：支持UART、I2C、SPI等多种通信接口

软件环境配置

开发工具：STM32CubeIDE集成开发环境，支持HAL库和LL库开发

编译器：ARM GCC编译器工具链

库文件依赖：

• STM32 HAL库：提供底层硬件驱动支持
• 传感器驱动库：BME280、DHT22、SDS011专用驱动
• OLED显示库：SSD1306显示控制库

系统要求：Windows/Linux/macOS操作系统，至少4GB内存

3. 资源使用教程

硬件连接配置

电源连接：

• STM32F103开发板：5V供电
• SDS011传感器：5V供电
• DHT22传感器：3.3V-5V供电
• BME280传感器：3.3V供电

通信接口连接：

• SDS011：TX接STM32 USART RX，RX接STM32 USART TX
• DHT22：数据线接任意GPIO引脚，需10k上拉电阻
• BME280：SCL接PB6，SDA接PB7（I2C1接口）
• OLED：SCL接PB6，SDA接PB7（与BME280共享I2C总线）

软件配置步骤

1. 工程创建： 使用STM32CubeMX创建新工程，选择STM32F103C8T6芯片型号，配置系统时钟为72MHz。

2. 外设配置：

• 启用I2C1接口，配置为快速模式
• 启用USART2接口，配置波特率为9600（SDS011通信）
• 配置TIM1定时器，用于微秒级延时
• 设置GPIO引脚模式

3. 库文件添加： 将传感器驱动库和OLED显示库添加到工程中，包含必要的头文件。

4. 主程序编写：

#include "main.h"
#include "bme280.h"
#include "dht22.h"
#include "sds011.h"
#include "ssd1306.h"

// 全局变量定义
float temperature, humidity, pressure;
uint16_t pm25, pm10;

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART2_UART_Init();
    MX_TIM1_Init();
    
    // 传感器初始化
    BME280_Init();
    DHT22_Init();
    SDS011_Init();
    SSD1306_Init();
    
    while (1)
    {
        // 读取传感器数据
        BME280_ReadData(&temperature, &pressure, &humidity);
        DHT22_ReadData(&temperature, &humidity);
        SDS011_ReadData(&pm25, &pm10);
        
        // 数据显示
        Display_Data(temperature, humidity, pressure, pm25, pm10);
        
        HAL_Delay(2000); // 2秒采样间隔
    }
}

数据处理与显示

数据校准：各传感器数据需要进行校准处理，使用补偿算法提高测量精度。

异常处理：实现数据校验机制，检测传感器通信异常和数据异常。

显示优化：OLED显示采用分页显示方式，循环显示各项环境参数。

4. 常见问题及解决办法

传感器通信问题

BME280无法读取数据：

• 检查I2C地址配置（通常为0x76或0x77）
• 确认SDO引脚接地（地址为0xEC）或接VCC（地址为0xEE）
• 检查I2C总线是否正常，使用逻辑分析仪检测信号

DHT22数据读取失败：

• 确保数据线配置了10k上拉电阻
• 检查时序控制，DHT22需要精确的微秒级延时
• 验证GPIO引脚配置为开漏输出模式

SDS011无数据输出：

• 确认UART波特率设置为9600
• 检查TX/RX线序是否正确连接
• 验证传感器供电电压是否稳定（5V±0.3V）

电源相关问题

系统供电不稳定：

• 为各传感器提供独立的LDO稳压
• 增加电源滤波电容，减少纹波干扰
• 避免长距离供电，使用粗导线减少压降

传感器功耗过高：

• 优化采样频率，减少不必要的测量
• 在空闲时段进入低功耗模式
• 使用MOSFET控制传感器电源通断

数据处理异常

数据跳变过大：

• 增加数据滤波算法（移动平均、中值滤波）
• 设置合理的数据有效范围阈值
• 实现异常数据剔除机制

显示刷新异常：

• 优化OLED刷新频率，避免闪烁
• 使用双缓冲机制减少显示撕裂
• 检查I2C通信速率是否过高

环境适应性调整

温度补偿：针对不同环境温度对传感器读数的影响，实现温度补偿算法。

湿度校准：在已知湿度环境下进行校准，提高湿度测量精度。

粉尘传感器维护：定期清洁SDS011传感器光学部件，保持测量准确性。

通过以上配置和问题解决方案，基于STM32F103的气象站监测系统能够稳定可靠地运行，为用户提供准确的环境监测数据。