STM32智能空气净化器项目开发

一、项目概述

本空气净化器项目基于STM32F4系列微控制器，整合多传感器数据采集、环境参数显示、网络通信及执行机构控制等功能，实现智能化空气质量管理。项目采用FreeRTOS实时操作系统进行多任务调度，结合TFT触摸屏实现人机交互，通过ESP8266接入阿里云物联网平台实现远程监控。本文将从硬件架构、软件设计、关键模块配置等方面进行深度解析。

二、硬件系统架构
1. 核心控制器

采用STM32F407ZGT6，基于Cortex-M4内核，168MHz主频，集成FPU和丰富外设资源，满足实时控制需求。

2. 传感器模块
  • SGP30：I2C接口，检测CO₂和TVOC浓度
  • PM2.5传感器：模拟输出，ADC采集颗粒物数据
  • DHT11：单总线数字温湿度传感器
  • PAJ7620U2：手势识别传感器，I2C通信
3. 执行机构
  • SG90舵机：控制净化器盖板开合
  • 直流风扇：PWM调速控制风量
  • UV杀菌灯：GPIO开关控制
4. 人机交互
  • 2.4寸TFT液晶屏（240x240），SPI接口
  • 矩阵键盘输入
  • 蜂鸣器状态提示
5. 通信模块
  • ESP8266 WiFi模块：AT指令接入MQTT协议
  • HC-05蓝牙模块：备用本地通信
6. 系统框架图
+-------------------+     +-----------------+
|   传感器采集层      |<--->| STM32F4主控     |
| (CO₂/PM2.5/温湿度) |     | (FreeRTOS调度)  |
+-------------------+     +-----------------+|   |   |+-----------+   |   +-----------+|               |               |+----------------+  +-----------+  +------------+| 执行控制层      |  | 通信层     |  | 人机交互层  || (风扇/PWM/舵机) |  | (WiFi/BLE)|  | (TFT/按键)|+----------------+  +-----------+  +------------+
三、软件开发环境搭建
1. 工具链配置

  • IDE：Keil MDK-ARM V5

  • 编译器：ARMCC V6

  • 调试工具：J-Link V9

库支持

：

  • STM32标准外设库/HAL库
  • FreeRTOS V10.3.1
  • LVGL图形库（可选）
2. 工程结构规划

c

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Project/
├── CMSIS/              // 内核支持文件
├── Drivers/
│   ├── STM32F4xx_HAL_Driver/ 
│   └── BSP/            // 板级支持包
├── Middlewares/
│   └── FreeRTOS/       // RTOS源码
├── Application/
│   ├── Inc/            // 头文件
│   ├── Src/            // 应用源码
│   └── Tasks/          // FreeRTOS任务
└── Utilities/           // 调试工具
四、FreeRTOS任务设计
1. 任务划分原则
  • 高优先级：关键控制任务（如PWM输出）
  • 中优先级：网络通信、传感器采集
  • 低优先级：界面刷新、非实时任务
2. 典型任务定义（文档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);// ...其他任务
}
3. 任务间通信
  • 队列（Queue）：传输传感器数据包
  • 信号量（Semaphore）：同步网络连接状态
  • 事件组（Event Group）：多任务协同
五、关键模块配置详解
1. TFT显示屏驱动（文档4、5）

SPI配置要点：

c

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void SPI1_Init(void) {SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct = {0};// 时钟极性/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优化刷屏：

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气体传感器（文档6、7）

I2C读时序实现：

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;
}

数据校验处理：

c

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if(crc8(&data[0], 2) != data[2]) {// CRC校验失败处理
}
3. PM2.5传感器（文档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. 舵机控制（文档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、网络通信实现
1. ESP8266 AT指令流程（文档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协议接入（文档31、32）

阿里云三元组配置：

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加密过程mqtt_client.connect(clientId, username, password); 
}

数据上报格式：

json

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{"id": "123","params": {"PM25": {"value": 35},"CO2": {"value": 450},"Temp": {"value": 25.6}},"version":"1.0"
}
七、系统整合与调试
1. 任务优先级分配表
任务名称优先级堆栈大小功能描述
App_TaskPWM4128风扇/PWM控制
App_TaskSensor3256传感器数据采集
App_TaskMQTT2512网络通信
App_TaskGUI11024界面刷新
2. 调试技巧
  • 传感器数据异常：使用逻辑分析仪抓取I2C波形
  • WiFi连接失败：AT指令手动调试+串口日志输出
  • 内存溢出：FreeRTOS堆栈检测函数uxTaskGetStackHighWaterMark()
3. 功耗优化策略
  • 动态调整采集频率
  • 空闲任务自动进入STOP模式
  • 网络心跳包间隔优化
八、项目总结与扩展

本项目实现了空气净化器核心功能，后续可扩展：

  1. 增加手机APP控制（接入阿里云生活物联网平台）
  2. 实现语音控制（集成LD3320语音模块）
  3. 添加滤芯寿命监测
  4. 开发节能模式（根据环境自动调节）

通过本项目的实践，开发者可掌握STM32在多任务环境下的开发方法、传感器数据融合处理技术及物联网系统的构建流程，为复杂嵌入式系统开发奠定坚实基础。

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