STM32F103C8T6多传感器采集：DHT11、SGP30、CH340与ADC实战-开发者社区

简介：面向嵌入式入门与传感器采集实践者的一套STM32环境监测工程源码，围绕STM32F103C8T6主控，整合DHT11温湿度、SGP30空气质量传感器与CH340 USB转串口，重点演示内置ADC模拟信号读取、USART串口收发及引脚接线与函数功能说明，适合想打通「传感器采集—模数转换—串口上传」完整链路的读者对照学习。压缩包共211个文件，约5.36MB，以37个c源文件与40个h头文件构成工程主体，配套38个o、37个crf等Keil编译中间文件，另有uvprojx工程文件、hex烧录文件、map映射表及少量txt、htm说明文档，目录结构贴近真实Keil工程，便于直接打开编译与二次修改。该资源已有2152人学习下载，可帮助读者理解ADC通道配置与转换结果读取、USART与CH340的数据透传方式，并借助接线说明和代码注释快速定位初始化与采集函数，减少环境搭建与调试中的摸索成本。

1. 从一块最小系统板说起：这套多传感器采集方案到底解决什么问题

手上只有一块 STM32F103C8T6 最小系统板，却要同时接 DHT11 温湿度、SGP30 空气质量、还要把数据通过 CH340 串口送到上位机，顺带用 ADC 采一路模拟量——这是很多毕设和课设里最典型的一类需求：传感器种类多、协议各不相同、数据要能实时看到、还要能写进报告里讲清楚。难点不在单个模块，而在于把单总线、I2C、UART、ADC 这四套时序揉进一个主循环里还不互相打架。这套方案就是围绕这个场景搭的：以 STM32F103C8T6 为主控，DHT11 走单总线、SGP30 走 I2C、CH340 做 USB 转串口、ADC 采模拟通道，最终形成一个可采集、可显示、可复现的最小数据采集系统。适合正在做环境监测类毕设、嵌入式课设，或者需要一套能直接改参数就上手的采集框架的人。

2. 需求拆解与器件选型：四类信号为什么必须分开处理

2.1 先把需求翻译成接口清单

拿到题目别急着画原理图，先把「要采什么、采完给谁看、多久采一次」三件事定下来。这套方案的需求可以拆成四条：温湿度要能读到整数级精度、空气质量要能读到 TVOC 和 CO2 等效值、模拟量要能反映 0～3.3V 范围内的电压变化、所有数据要能通过一根 USB 线在电脑串口助手里看到。翻译成接口就是：DHT11 占一个 GPIO 做单总线双向通信，SGP30 占 I2C1 的 PB6/PB7，CH340 占 USART1 的 PA9/PA10，ADC 用 PA0 采一路外部电压。

这里有个容易被忽略的点：DHT11 的单总线是「半双工」的，同一根线上既要发启动信号又要收 40 位数据，所以这个 GPIO 必须能在输出和输入之间切换。很多人一开始把它配成纯输入或纯输出，结果读出来全是 0 或者 255，这就是时序没配对。我一般会在初始化时先配成推挽输出，读完启动信号后再切成浮空输入，读完再切回去，这个切换动作要写成一个函数，别散在主循环里。

2.2 选型对比：为什么不用别的方案

器件	本方案选择	常见替代	选择理由
主控	STM32F103C8T6	STM32F103RCT6 / ESP32	48 引脚够用，价格低，资料多，ADC 和 I2C 外设齐全
温湿度	DHT11	DHT22 / SHT30	单总线省引脚，精度够课设用，成本最低
空气质量	SGP30	MQ-135	数字接口免标定，直接出 TVOC/CO2 等效值
串口	CH340	CP2102 / 原生 USB	模块便宜，驱动成熟，接线只有 TX/RX/GND
模拟量	片内 ADC	外置 ADS1115	省一路 I2C 地址，12 位精度够看趋势

这张表不是让你照抄，而是提醒你：选型要能说出「为什么不是另一个」。答辩时老师最爱问的就是「你为什么用 DHT11 不用 DHT22」，答案不是「便宜」，而是「本场景精度要求到整数度即可，DHT11 的单总线时序我已经验证稳定，换 DHT22 要改时序参数反而增加风险」。

2.3 引脚分配与资源占用

把引脚定死再动手，能省掉后面大量返工。这套方案的分配是：PA9/PA10 给 USART1 接 CH340，PB6/PB7 给 I2C1 接 SGP30，PA0 给 ADC1_IN0 采模拟量，PA1 给 DHT11 单总线。剩下的 PA2～PA7 留作调试或扩展。注意 CH340 模块的 TX 要接单片机的 PA10（RX），RX 接 PA9（TX），交叉接线，这个接反了串口助手一个字都收不到，是血泪经验里排第一的翻车点。

提示：SGP30 上电后需要一段初始化时间才能出有效数据，通常的做法是上电后先延时 15 秒左右再开始读，期间可以先把 DHT11 和 ADC 跑起来，别让主循环空等。

3. 总体架构设计：主循环调度与四路采集的职责划分

3.1 分层结构：驱动层、采集层、上报层

整套程序我一般分成三层。驱动层负责最底层的时序：DHT11 的微秒级延时和位判断、SGP30 的 I2C 读写封装、ADC 的启动与转换、USART 的收发。采集层负责「什么时候采、采完存哪」：给每个传感器定一个采集周期，DHT11 两秒一次（它本身响应就慢），SGP30 一秒一次，ADC 一百毫秒一次，采到的值放进一个结构体。上报层负责格式化：把结构体拼成一行可读的字符串，通过 CH340 发出去。

这样分层的好处是改一个传感器不影响别的。比如你后来想把 DHT11 换成 SHT30，只动驱动层和采集层里对应的那个函数，上报层的格式完全不用改。很多课设代码把所有逻辑塞进 main 的 while(1) 里，改一处牵全身，最后自己都不敢动。

3.2 主循环调度：用时间戳而不是 delay

新手最容易犯的错是在主循环里写HAL_Delay(2000)等 DHT11。这一等，ADC 和串口全停了，数据看起来「卡顿」。正确做法是用一个毫秒级的时间戳做非阻塞调度：

/* 采集调度结构体：记录每路的上次采集时刻和周期 */ typedef struct { uint32_t last_tick; /* 上次采集的毫秒时间戳 */ uint32_t period_ms; /* 采集周期 */ } TaskTimer; TaskTimer dht_task = {0, 2000}; /* DHT11 两秒一次 */ TaskTimer sgp_task = {0, 1000}; /* SGP30 一秒一次 */ TaskTimer adc_task = {0, 100}; /* ADC 一百毫秒一次 */ /* 在主循环里判断是否到点，到点才采，不阻塞 */ if (HAL_GetTick() - dht_task.last_tick >= dht_task.period_ms) { dht_task.last_tick = HAL_GetTick(); DHT11_Read(&g_data.temp, &g_data.humi); }

HAL_GetTick()返回的是上电以来的毫秒数，用「当前减上次」判断而不是「等于某个值」，能避开计数器溢出问题。period_ms就是每路的采集节奏，DHT11 给 2000 是因为它两次采样之间至少要隔 1 秒以上，给太密读出来是旧值甚至报错。这段调度的核心思想是：主循环转得飞快，但每路只在到点时干活，其余时间都在空转，所以串口输出是连续的，不会因为等某个传感器而卡住。

3.3 数据流：从寄存器到串口字符串

数据从传感器到串口要经过三次转换：DHT11 的 40 位原始字节要拆成湿度和温度两个整数；SGP30 的 I2C 读回来是两个字节的 CO2 等效值和两个字节的 TVOC，要按大端拼成 16 位；ADC 的 12 位原始值要按电压 = 原始值 × 3.3 / 4096换算成毫伏。这三步都在采集层完成，上报层拿到的已经是「人话」数据。

我一般会定义一个全局结构体g_data，字段包括temp、humi、co2、tvoc、adc_mv，采集层往里写，上报层从里读。这样调试时在 Keil 的 watch 窗口直接看这个结构体，就知道每一路采到没有、值对不对，比一个个打印快得多。

4. 关键模块实现：单总线、I2C、ADC 与串口的落地细节

4.1 DHT11 单总线：微秒级时序是成败关键

DHT11 的通信全靠一根线上的高低电平持续时间来区分 0 和 1。主机先拉低至少 18 毫秒做启动信号，然后释放总线，DHT11 回应 80 微秒低电平加 80 微秒高电平，接着开始发 40 位数据：每一位都是 50 微秒低电平开头，然后高电平持续 26～28 微秒表示 0，持续 70 微秒表示 1。判断 0 和 1 的方法是在高电平开始后延时约 40 微秒再读电平，读到高就是 1，读到低就是 0。

/* 读一位：先等低电平结束，再延时 40us 采样 */ static uint8_t DHT11_ReadBit(void) { uint8_t retry = 0; while (DHT11_PIN_READ() == 0 && retry++ < 100); /* 等 50us 低电平过去 */ Delay_us(40); /* 越过 0 码的 26~28us */ uint8_t bit = DHT11_PIN_READ(); /* 此时高电平即 1 */ retry = 0; while (DHT11_PIN_READ() == 1 && retry++ < 100); /* 等这一位高电平结束 */ return bit; }

Delay_us必须准，用 SysTick 或者定时器做，别用空循环凑，不同优化等级下空循环的耗时完全不一样，这是玄学翻车的重灾区。retry计数是防死等：万一传感器没接好，while会卡死，加个上限就能超时退出返回错误。读完整 40 位后要校验：前四个字节是湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数，第五个字节是前四个的和，对不上就丢弃这次数据重读。

4.2 SGP30 的 I2C 读写：命令字和 CRC 别漏

SGP30 的 I2C 地址是 0x58（7 位），每次操作都是「发两个字节命令 + 读回数据」。初始化要发0x2003启动空气测量，读 CO2 用0x2008，读 TVOC 用0x2009。注意它返回的每个 16 位值后面还跟一个 CRC 字节，很多人只读两个字节就完事，结果数据偶尔跳变，就是没校验。

/* 读 SGP30 的 CO2 等效值，带 CRC 校验 */ uint16_t SGP30_ReadCO2(void) { uint8_t cmd[2] = {0x20, 0x08}; uint8_t buf[3]; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x58 << 1, cmd, 2, 100); HAL_Delay(12); /* 命令后需等待约 12ms 出数据 */ HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x58 << 1, buf, 3, 100); if (SGP30_CRC8(buf, 2) != buf[2]) return 0xFFFF; /* 校验失败返回错误码 */ return (buf[0] << 8) | buf[1]; /* 大端拼接 */ }

0x58 << 1是因为 HAL 库的地址参数要左移一位带上读写位。HAL_Delay(12)是命令执行时间，给短了读回来是上一次的旧值。CRC 算法是多项式 0x31、初值 0xFF，网上有现成实现，但一定要自己验一遍：拿一组已知数据算，对不上就是移位方向搞反了。SGP30 还有个特点，刚上电的前十几秒读出来是固定值 400 和 0，这是它的基线建立期，不是坏了，程序里可以加个标志位，前 15 秒不显示空气质量。

4.3 ADC 采集：校准和参考电压

片内 ADC 用 PA0，配置成 12 位、单次转换、软件触发。初始化后先做一次校准HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1)，不做校准的话零点漂移能到几十毫伏。转换流程是「启动 → 等 EOC → 读值」，读到的 0～4095 对应 0～3.3V。

/* 读一次 ADC 并换算成毫伏 */ uint16_t ADC_Read_mV(void) { HAL_ADC_Start(&hadc1); if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) != HAL_OK) return 0; uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); HAL_ADC_Stop(&hadc1); return (uint16_t)(raw * 3300 / 4096); /* 12 位满量程 4096，参考 3.3V */ }

3300 / 4096里的 4096 是 2 的 12 次方，别写成 4095，虽然差一点点但答辩时被问到会尴尬。如果采的是外部传感器分压后的信号，记得在换算前乘回分压比。ADC 的输入阻抗有限，信号源内阻大的话读数会偏低，通常的做法是在输入端加个电压跟随器，课设阶段信号源内阻小可以省掉。

4.4 CH340 串口上报：格式化输出与重定向

CH340 接 USART1，波特率 115200、8 数据位、无校验、1 停止位。上报格式我一般用一行搞定，方便串口助手直接看：

/* 每轮采集完成后拼一行发出去 */ printf("T:%dC H:%d%% CO2:%dppm TVOC:%dppb ADC:%dmV\r\n", g_data.temp, g_data.humi, g_data.co2, g_data.tvoc, g_data.adc_mv);

要让printf走串口，需要重定向fputc：

/* 把 printf 的输出重定向到 USART1 */ int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 100); return ch; }

重定向后记得在 Keil 里勾选「Use MicroLIB」，否则printf会卡在半主机模式里出不来，现象就是程序一下载就停住，这也是个经典坑。波特率两端必须一致，串口助手设成 115200，设成 9600 看到的就是乱码。

5. 避坑与排查：这套方案里最容易翻车的五个点

5.1 串口一个字节都收不到

现象是串口助手打开后空白，或者只有乱码。原因通常是三选一：TX/RX 没交叉接、波特率两端不一致、fputc重定向没生效。排查顺序是先确认接线（CH340 的 TX 对 PA10），再用示波器或逻辑分析仪看 PA9 有没有波形，有波形但乱码就是波特率问题，没波形就是重定向或 USART 初始化没跑通。我一般会在main开头先发一句固定的"boot\r\n"，能收到这句说明链路是通的，收不到就别往下查传感器了。

5.2 DHT11 读数一直是 0 或 255

现象是温湿度固定不变或者明显错误。原因多半是时序延时不准，尤其是Delay_us用了空循环，编译器一优化时间就变了。解决办法是把微秒延时改成基于 SysTick 或定时器的实现，并且在读位函数里保留retry超时。还有一种情况是上电后第一次读失败，这是正常的，DHT11 上电需要约 1 秒稳定，程序里第一次读之前先延时 1 秒，失败就重试，连续三次失败再报错。

5.3 SGP30 数据不跳变或一直是 400

现象是 CO2 永远显示 400、TVOC 永远 0。原因是没发启动测量命令0x2003，或者上电后没等够基线建立时间。解决方法是初始化里先发0x2003，然后延时 15 秒再开始读，读的时候带上 CRC 校验，校验失败就丢弃。如果换了环境后数据长期不动，可以发0x20 0x15做一次基线校准，但这个命令不能频繁发，通常只在已知洁净空气环境下用一次。

5.4 ADC 读数跳动大

现象是同一路电压读出来上下差几十甚至上百。原因是没做校准、参考电压不稳、或者信号源内阻太大。先做一次HAL_ADCEx_Calibration_Start，再在软件里做几次采样取平均（比如连读 8 次去掉最大最小再平均），能明显压住跳动。如果还跳，检查 3.3V 供电是不是从 USB 直接取的，USB 供电本身有纹波，加个 100nF 电容到地通常能改善。

5.5 多路一起跑就死机

现象是单独测每个传感器都正常，四个一起跑程序就卡住或复位。原因通常是某个驱动里的while死等没有超时，比如 I2C 等待标志位、DHT11 等电平，某个传感器没响应就永远卡在那。解决办法是给所有while等待加计数上限，超时就返回错误码，主循环里对错误码做处理而不是直接忽略。另外检查栈空间，printf和浮点运算吃栈，栈给小了会 HardFault，把启动文件里的栈大小从默认的 0x400 加到 0x800 通常能解决。

6. 验收与答辩：怎么证明这套采集系统真的跑通了

验收这件事，老师看的不是你代码写得多漂亮，而是「数据是不是真的、系统是不是稳的、你能不能讲清楚」。我一般会准备三样东西：一份连续运行记录、一张引脚接线表、一段能现场复现的演示流程。

连续运行记录的做法是让系统上电跑至少 30 分钟，串口助手开日志保存，事后看日志里有没有断档、有没有异常值。合格的记录应该是每秒都有输出、温湿度在合理范围缓慢变化、CO2 在 400～1000 之间波动、ADC 值随你用手捏住传感器或改变输入电压而响应。如果日志里出现大段重复值或者突然归零，说明某一路在超时重试，得回去查那一章的排查点。

现场演示的流程我建议固定成四步：先上电，指着串口助手说「这是 CH340 送出来的实时数据」；然后对着 DHT11 哈一口气，看湿度上升；再用酒精棉靠近 SGP30，看 TVOC 跳变；最后用杜邦线把 PA0 接到 3.3V 和 GND，看 ADC 在 3300 和 0 之间切换。这四步每步都对应一个模块，讲的时候一句话带过原理即可，重点是让老师看到「输入变了、输出跟着变」，这就是系统活着的证据。

答辩时最容易被追问的是「你的采样周期怎么定的」「DHT11 时序为什么这么写」「SGP30 的 CRC 有什么用」。前两个在第 3、4 章里都有答案，CRC 那个你就说「防止 I2C 传输误码导致数据跳变，校验不过就丢弃本次数据」，一句话就够。还有个高频问题是「如果传感器拔了会怎样」，标准答案是「驱动层有超时计数，拔了会返回错误码，主循环继续跑其他路，不会死机」——这正好是你加了retry的价值，讲出来就是加分项。