STM32F030 环境监测传感器程序设计（ADC 采集 + DO 控制）

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685人浏览 · 2026-02-25 16:00:00

Hello_Embed · 2026-02-25 16:00:00 发布

一、前言

环境监测传感器是工业与民用场景中常用的传感器类型，本次基于 STM32F030 开发板设计环境监测传感器程序，核心实现两类功能：一是 DO 外设（蜂鸣器、LED）的远程控制，二是 AI 外设（光敏电阻、可调电阻）的 ADC 电压采集。程序沿用 PC→STM32H5→STM32F030 的通信架构，通过 Modbus 协议与 PC 端 Modbus Poll 软件交互，完成环境光强、电阻电压的采集及声光外设的精准控制。

二、硬件引脚与 CubeMX 配置

1. 硬件引脚映射

环境监测模块的外设功能、引脚、工作逻辑及寄存器类别对应如下，需根据该表在 CubeMX 中完成基础 GPIO/ADC 配置：

模块	功能	引脚	工作逻辑	寄存器类别
环境监测模块	BEEP1	PB15	高电平触发响铃	DO
	BEEP2	PB14	高电平触发响铃	DO
	LED1	PB11	低电平点亮	DO
	LED2	PB12	低电平点亮	DO
	LED3	PB13	低电平点亮	DO
	OPTO_ADC	PA1	电压值与光强成反比	AI
	RES_ADC	PA2	电压值与可调电阻成反比	AI

2. CubeMX 配置注意事项

除基础的 GPIO（DO 外设设为输出）、ADC（AI 外设设为模拟输入）配置外，需重点注意：配置 ADC 时必须启用Discontinuous Conversion Mode（离散转换模式），保障多通道 ADC 采集的稳定性。

三、点表设计：通信规则标准化

为明确 PC 与 F030 环境监测传感器的通信规则，设计如下点表，清晰定义设备地址、寄存器地址、类别及功能：

设备地址	寄存器地址	寄存器类别	用途	描述
02H	0000H	DO	控制蜂鸣器 1	1 - 响
02H	0001H	DO	控制蜂鸣器 2	1 - 响
02H	0002H	DO	控制 LED1	1 - 亮
02H	0003H	DO	控制 LED2	1 - 亮
02H	0004H	DO	控制 LED3	1 - 亮
02H	0000H	AI	读取光敏电阻电压	0xfff 对应 3.3V（12 位精度）
02H	0001H	AI	读取可调电阻电压	0xfff 对应 3.3V（12 位精度）

补充：AI 寄存器为 12 位 ADC 采集值，最大值 0xfff 对应 3.3V 参考电压，可通过电压值换算光敏电阻的光强、可调电阻的阻值。

四、F030 程序实现：ADC 校准 + 寄存器联动

环境监测传感器使用 ADC 采集模拟电压，需先完成 ADC 校准保障采集精度；程序通过宏定义区分传感器类型，实现 DO 外设控制与 AI 电压采集的核心逻辑，代码及关键注释如下（未修改原有代码逻辑）：

// 启用环境监测传感器功能（宏定义便于切换不同传感器逻辑）
#define USE_ENV_MONITOR_SENSOR 1

#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
// 声明ADC句柄（由CubeMX自动生成）
extern ADC_HandleTypeDef hadc;

// 从机地址（对应点表中的02H）
#define SLAVE_ADDR 2
// DO寄存器（线圈状态）数量：5个（2个蜂鸣器+3个LED）
#define NB_BITS             5
// DI寄存器（离散输入状态）数量：0（本传感器未使用）
#define NB_INPUT_BITS       0 
// 保持寄存器数量：0（本传感器未使用）
#define NB_REGISTERS        0
// AI寄存器（输入寄存器）数量：2个（光敏电阻+可调电阻）
#define NB_INPUT_REGISTERS  2  

#endif

void StartDefaultTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */
  /* Infinite loop */
    // 存储GPIO读取状态（本传感器未使用，保留兼容）
    GPIO_PinState val;
	// Modbus请求报文缓冲区
	uint8_t *query;
	// Modbus RTU上下文
	modbus_t *ctx;
	// 函数返回值，判断操作是否成功
	int rc;
	// Modbus寄存器映射结构体
	modbus_mapping_t *mb_mapping;

#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
    // ADC校准：保障12位电压采集精度（环境监测传感器核心步骤）
    HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc);
#endif

	// 创建串口1的Modbus RTU上下文：波特率115200、无校验、8数据位、1停止位
	ctx = modbus_new_st_rtu("uart1", 115200, 'N', 8, 1);
	// 设置从机地址（匹配点表中的02H）
	modbus_set_slave(ctx, SLAVE_ADDR);
	// 分配请求报文缓冲区（FreeRTOS内存接口）
	query = pvPortMalloc(MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH);

	// 初始化寄存器映射：基于宏定义的寄存器数量配置
	mb_mapping = modbus_mapping_new_start_address(0,
												  NB_BITS,        // DO寄存器数量
												  0,
												  NB_INPUT_BITS,  // DI寄存器数量
												  0,
												  NB_REGISTERS,   // 保持寄存器数量
												  0,
												  NB_INPUT_REGISTERS); // AI寄存器数量
	
	// 建立Modbus RTU连接
	rc = modbus_connect(ctx);
	if (rc == -1) {
		//fprintf(stderr, "Unable to connect %s\n", modbus_strerror(errno));
		modbus_free(ctx);
		vTaskDelete(NULL);; // 连接失败则删除任务
	}

	// 无限循环接收并响应PC端Modbus请求
	for (;;) {
		do {
			// 接收PC端请求报文，过滤无效请求（返回0的查询）
			rc = modbus_receive(ctx, query);
			/* Filtered queries return 0 */
		} while (rc == 0);
 
		/* The connection is not closed on errors which require on reply such as
		   bad CRC in RTU. */
		// 非CRC错误则继续循环，不退出
		if (rc == -1 && errno != EMBBADCRC) {
			/* Quit */
			continue;
		}

        /* update values of registers
         * a. read gpio
         * b. update reg
         */
// 开关量传感器逻辑（保留兼容，本传感器未启用）
#ifdef USE_SWITCH_SENSOR
        /* key1 */
        val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3);
        if (val == GPIO_PIN_RESET)
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[0] = 1;
        }
        else
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[0] = 0;
        }

        /* key2 */
        val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4);
        if (val == GPIO_PIN_RESET)
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[1] = 1;
        }
        else
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[1] = 0;
        }

        /* key3 */
        val = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
        if (val == GPIO_PIN_RESET)
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[2] = 1;
        }
        else
        {
            mb_mapping->tab_input_bits[2] = 0;
        }

#endif

// 环境监测传感器：读取ADC值更新AI寄存器
#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
        /* READ ADC to update tab_input_registers */
        // 循环采集2路ADC（光敏电阻、可调电阻），更新AI寄存器
        for (int i = 0; i < 2; i++)
        {
            // 启动ADC采集
            HAL_ADC_Start(&hadc);
            // 等待采集完成（超时100ms）
             if (HAL_OK == HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100))
             {
                // 将ADC采集值写入AI寄存器
                mb_mapping->tab_input_registers[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc);
             }
        }
#endif

		// 解析请求并回复PC端（包含更新后的AI寄存器数据）
		rc = modbus_reply(ctx, query, rc, mb_mapping);
		if (rc == -1) {
			//break;
		}

// 开关量传感器DO控制逻辑（保留兼容，本传感器未启用）
#ifdef USE_SWITCH_SENSOR
        /* switch1 */
		if (mb_mapping->tab_bits[0])
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); //switch1
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); //switch1

        /* switch2 */
		if (mb_mapping->tab_bits[1])
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); //switch2
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); //switch2

		if (mb_mapping->tab_bits[2])
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET); //LED1
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET); //LED1

		if (mb_mapping->tab_bits[3])
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET); //LED2
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET); //LED2

		if (mb_mapping->tab_bits[4])
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); //LED3
		else
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); //LED3
#endif

// 环境监测传感器：根据DO寄存器值控制外设
#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
            /* beep1 */
            // DO寄存器0号控制蜂鸣器1（PB15）：1-响（高电平）、0-停（低电平）
            if (mb_mapping->tab_bits[0])
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET); //beep1
            else
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_RESET); //beep1
    
            /* beep2 */
            // DO寄存器1号控制蜂鸣器2（PB14）：1-响（高电平）、0-停（低电平）
            if (mb_mapping->tab_bits[1])
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_SET); //beep2
            else
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET); //beep2
    
            // DO寄存器2号控制LED1（PB11）：1-亮（低电平）、0-灭（高电平）
            if (mb_mapping->tab_bits[2])
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET); //LED1
            else
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET); //LED1
    
            // DO寄存器3号控制LED2（PB12）：1-亮（低电平）、0-灭（高电平）
            if (mb_mapping->tab_bits[3])
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET); //LED2
            else
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET); //LED2
    
            // DO寄存器4号控制LED3（PB13）：1-亮（低电平）、0-灭（高电平）
            if (mb_mapping->tab_bits[4])
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); //LED3
            else
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); //LED3
#endif

	}

	// 释放资源（实际循环不会执行到此处）
	modbus_mapping_free(mb_mapping);
	vPortFree(query);
	modbus_close(ctx);
	modbus_free(ctx);

	vTaskDelete(NULL);
    
  /* USER CODE END StartDefaultTask */
}

五、功能验证：Modbus Poll 测试

将编译后的程序烧录至 STM32F030 开发板，保持 STM32H5 转接板的 RS485-USB 透传功能开启，通过 PC 端 Modbus Poll 软件按照点表规则测试：

1. DO 寄存器控制硬件

改写 DO 寄存器值可精准控制蜂鸣器、LED 的启停 / 亮灭，例如向寄存器地址 3 发送 On 指令，LED2 成功点亮，测试效果如下：

请添加图片描述

2. AI 寄存器采集电压

读取 AI 寄存器可获取光敏电阻、可调电阻的 ADC 电压值，下图显示的采集结果表明此时环境光强较弱：

请添加图片描述

六、总结

环境监测传感器需配置 ADC 离散转换模式，并在程序中完成 ADC 校准，保障 12 位电压采集精度；
程序通过宏定义区分传感器类型，兼顾兼容性的同时实现 DO 外设控制与 AI 电压采集；
点表明确了设备地址、寄存器映射规则，是 PC 与传感器稳定通信的核心依据。

七、结尾

本次完成了 STM32F030 环境监测传感器的全流程程序设计，实现了模拟量（ADC 电压）采集与数字量（DO 外设）控制的 Modbus 通信闭环，这套设计思路可直接适配各类包含模拟采集、数字控制的工业传感器开发。掌握环境监测传感器的开发逻辑，是进阶实现温湿度、气体浓度等复杂环境传感器的关键基础。感谢各位的阅读，持续关注本系列笔记，一起探索更多工业级 Modbus 传感器的开发与优化技巧！加粗样式