目录

一、前言

温湿度传感器是工业与民用场景中高频使用的传感器类型，本次基于 STM32F030 开发板对接 AHT20 温湿度传感器，设计完整的 Modbus 通信程序。核心解决温湿度采集耗时（单次至少 80ms）影响 Modbus 通信响应的问题，通过 FreeRTOS 多任务调度，将温湿度采集与 Modbus 通信解耦，同时实现 DO 外设（蜂鸣器、LED）的远程控制与温湿度数据的精准采集、转换及上报。

二、温湿度传感器核心操作流程

AHT20 温湿度传感器的操作需遵循固定时序与指令规则，核心流程分为三步：

  1. 发送测量命令：传感器 VDD 上电后等待 5ms，发送写测量指令0x70、0xAC、0x33、0x00，随后等待 80ms 完成测量；
  2. 获取校准数据：测量完成后发送0x71读指令，可获取状态字 Status、温湿度校准数据 SRH [19:0]、ST [19:0] 及校准字 CRC；
  3. 公式转换温湿度：基于采集到的校准数据，通过专用公式将原始值转换为实际温湿度值（湿度单位 0.1% RH，温度单位 0.1℃）。

关键注意：单次温湿度采集耗时至少 80ms，若在 Modbus 请求响应流程中直接采集，会导致通信超时 / 卡顿，因此需单独创建任务循环采集温湿度。

三、点表设计：通信规则标准化

为明确 PC 与 F030 温湿度传感器的通信规则，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
03H 0000H DO 控制蜂鸣器 1 1 - 响
03H 0001H DO 控制蜂鸣器 2 1 - 响
03H 0002H DO 控制 LED1 1 - 亮
03H 0003H DO 控制 LED2 1 - 亮
03H 0004H DO 控制 LED3 1 - 亮
03H 0000H AI 读取温度 单位 0.1 摄氏度 16 位有符号整数
03H 0001H AI 读取湿度 单位 0.1% RH 16 位有符号整数

四、CubeMX 配置与宏定义规划

1. CubeMX 核心配置

温湿度传感器基于 I2C 通信，需在 CubeMX 中启用 I2C 外设（对应 AHT20 通信链路），配置界面如下：

请添加图片描述

2. 宏定义规划

通过宏定义启用温湿度传感器功能，同时配置 Modbus 寄存器数量（匹配点表规则），并声明核心函数：

// 启用温湿度传感器功能（宏定义便于切换不同传感器逻辑）
#define USE_TMP_HUMI_SENSOR 1

#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR
// 声明温湿度采集任务函数、数据获取函数
void AHT20Task(void *argument);
static void aht20_get_datas(uint16_t *temp, uint16_t *humi);

// 从机地址（对应点表中的03H）
#define SLAVE_ADDR 3
// 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（温度+湿度）
#define NB_INPUT_REGISTERS  2  

#endif

五、程序实现：多任务调度 + CRC 校验 + Modbus 通信

1. CRC 校验与温湿度采集任务

单独创建 FreeRTOS 任务循环采集温湿度，通过 CRC 校验保障数据有效性，避免影响 Modbus 通信：

#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR

//**********************************************************//
//CRC校验类型： CRC8
//多项式： X8+X5+X4+1
//Poly:0011 0001 0x31
// 功能：对采集到的传感器数据进行CRC8校验，保障数据完整性
unsigned char Calc_CRC8(unsigned char *message,unsigned char Num)
{
    unsigned char i;
    unsigned char byte;
    unsigned char crc =0xFF;
    for (byte = 0;byte<Num;byte++)
    {
        crc^=(message[byte]);
        for(i=8;i>0;--i)
        {
            if(crc&0x80)
                crc=(crc<<1)^0x31;
            else
                crc=(crc<<1);
        }
    }
    return crc;
}

// 全局变量存储温湿度采集值（供Modbus任务读取）
static uint32_t g_temp, g_humi;

// 功能：获取最新的温湿度采集值（供Modbus任务调用）
static void aht20_get_datas(uint16_t *temp, uint16_t *humi)
{
	*temp = g_temp;
	*humi = g_humi;
}

// 温湿度采集任务：独立循环采集，不阻塞Modbus通信
void AHT20Task(void *argument)
{
	// 测量指令：0xAC（触发测量）、0x33、0x00
	uint8_t cmd[] = { 0xAC, 0x33, 0x00};	
	// 存储传感器返回的7字节数据（状态+温湿度+CRC）
	uint8_t datas[7];	
	// 存储CRC校验结果
	uint8_t crc;	
	
	// 声明I2C句柄（由CubeMX自动生成）
	extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;
	
	vTaskDelay(10); /* wait for ready：传感器上电就绪延时 */

	while (1)
	{
		// 步骤1：发送测量指令（I2C从机地址0x70）
		if (HAL_OK == HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x70, cmd, 3, 100))
		{
			vTaskDelay(100); /* wait for ready：等待测量完成（80ms以上） */
			// 步骤2：读取传感器返回数据
			if (HAL_OK == HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x70, datas, 7, 100))
			{
				/* cal crc：计算CRC校验值 */
				crc = Calc_CRC8(datas, 6);
				// 校验通过则解析数据
				if (crc == datas[6])
				{
					/* 解析湿度原始值：SRH[19:0] */
					g_humi = ((uint32_t)datas[1] << 12) | ((uint32_t)datas[2] << 4) | ((uint32_t)datas[3] >> 4);
					/* 解析温度原始值：ST[19:0] */
					g_temp = (((uint32_t)datas[3] & 0x0f) << 16) | ((uint32_t)datas[4] << 8) | ((uint32_t)datas[5]);

					/* 转换为实际值：湿度0.1%RH，温度0.1℃ */
					g_humi = g_humi * 100 * 10/ 0x100000; /* 0.1% */
					g_temp = g_temp * 200 * 10/ 0x100000 - 500; /* 0.1C */
				}
			}
		}

		vTaskDelay(20);	// 采集间隔20ms，保障数据刷新率		
	}
}

#endif

2. Modbus 通信任务

在默认任务中实现 Modbus 从机逻辑，读取温湿度采集值更新 AI 寄存器，同时根据 DO 寄存器值控制外设：

void StartDefaultTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */
  /* Infinite loop */
    // 存储GPIO读取状态（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;

// 环境监测传感器ADC校准（保留兼容，本传感器未启用）
#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
    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03H）
	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DI更新逻辑（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ADC采集逻辑（保留兼容，本传感器未启用）
#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
        /* READ ADC to update tab_input_registers */
        for (int i = 0; i < 2; i++)
        {
            HAL_ADC_Start(&hadc);
             if (HAL_OK == HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100))
             {
                mb_mapping->tab_input_registers[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc);
             }
        }
#endif

// 温湿度传感器：读取采集任务的温湿度值，更新AI寄存器
#ifdef USE_TMP_HUMI_SENSOR
		/* can not start aht20 to capture , it takes 80ms, too long */
		uint16_t temp, humi;
		// 获取最新温湿度采集值（无阻塞）
		aht20_get_datas(&temp, &humi);
		// 更新AI寄存器：0号存温度，1号存湿度
		mb_mapping->tab_input_registers[0] = temp;
		mb_mapping->tab_input_registers[1] = humi;
#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DO控制逻辑（保留兼容，本传感器未启用）
#ifdef USE_ENV_MONITOR_SENSOR
            /* beep1 */
            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 */
            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
    
            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

// 温湿度传感器：根据DO寄存器值控制外设
#ifdef USE_TMP_HUMI_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 */
}

六、功能验证：温湿度采集与外设控制

将程序编译烧录至 STM32F030 开发板，通过 PC 端 Modbus Poll 软件测试：

  • 改写 DO 寄存器值：可精准控制蜂鸣器 1/2 的启停、LED1-3 的亮灭；
  • 读取 AI 寄存器值：可获取转换后的温湿度数据（单位 0.1℃/0.1% RH），实测温湿度数据如下：

请添加图片描述

七、总结

  1. 采用多任务调度解耦温湿度采集（80ms 耗时）与 Modbus 通信，保障通信响应及时性；
  2. 通过 CRC8 校验保障温湿度数据完整性，公式转换实现原始值到实际物理量的映射；
  3. 宏定义设计兼顾代码兼容性，可快速切换不同传感器逻辑；
  4. 点表标准化定义通信规则，保障 PC 与传感器的适配性。

八、结尾

本次完成了 STM32F030 温湿度传感器的全流程程序设计，核心解决了低速传感器采集与高速 Modbus 通信的冲突问题，实现了数据采集、校验、转换、上报与外设控制的闭环。这套多任务调度 + 协议适配的设计思路，可直接复用至各类低速采集、高速通信的工业传感器开发场景。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 传感器的优化与落地技巧！

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