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基于arduino uno r3主控的环境监测系统设计-1

news 2025/7/26 23:14:58

准备设计arduino uno r3为主控的环境监测系统，通过传感器采集TVOC（总挥发性有机物）、HCHO（甲醛）和eCO2（等效二氧化碳）数据，并显示在LCD屏幕上，同时支持数据记录到SD卡，以及通过旋转编码器进行交互。

最终呈现效果：

结合RTC时间戳将数据记录至SD卡，并通过LCD显示屏和旋转编码器实现用户交互。系统具备三屏数据显示、智能SD卡管理、时间设置和数据记录控制等核心功能。


代码结构分析：

  1. 包含的库：Wire（I2C通信）、LiquidCrystal_I2C（I2C LCD控制）、SoftwareSerial（软串口，用于与传感器通信）、SdFat（SD卡操作）、RTClib（实时时钟）。
  2. 引脚定义：TVOC传感器使用软串口（RX, TX）、SD卡片选、旋转编码器（CLK, DT, SW）、记录按钮、LED。
  3. 全局对象：软串口对象、LCD对象、SD卡对象、RTC对象。
  4. 全局变量：用于数据解析、传感器数据存储、显示控制、编码器状态、记录状态、硬件状态标志等。
  5. 函数：
    • setup()：初始化系统，包括串口、LCD、RTC、传感器、SD卡、编码器、记录按钮等。
    • initLCD()：初始化LCD，尝试多个I2C地址。
    • initSDCard()：初始化SD卡，并检查其功能。
    • checkSDFunctional()：检查SD卡功能（写一个测试文件并读取验证）。
    • ensureDataFile()：确保数据文件存在，并写入表头。
    • loop()：主循环，包括硬件状态检查、接收数据、处理编码器和按钮、更新显示、定期检查SD卡状态。
    • checkHardwareStatus()：检查硬件状态（RTC、SD卡）。
    • checkSDStatus()：检查SD卡状态（物理存在和功能）。
    • updateTimeDisplay()：更新当前时间显示。
    • handleRecordButton()：处理记录按钮的按下事件（切换记录状态）。
    • handleEncoder()：处理旋转编码器的旋转和按钮事件（切换屏幕、进入时间设置模式）。
    • enterSetMode()：进入时间设置模式。
    • exitTimeSetMode()：退出时间设置模式，更新RTC时间。
    • receiveData()：从TVOC传感器接收数据。
    • processData()：处理接收到的传感器数据，验证校验和，并存储到结构体。
    • logSensorData()：将传感器数据记录到SD卡。
    • loadLastRecord()：从SD卡加载最后一条记录。
    • parseLastRecord()：解析最后一条记录。
    • displaySDStatus()：在LCD上显示SD卡状态（使用自定义字符）。
    • updateDisplay()：根据当前屏幕索引更新显示内容。
    • displayTVOCHCHO()：显示TVOC和HCHO数据。
    • displayECO2()：显示eCO2数据。
    • displayLastRecord()：显示最后记录的数据和记录状态。
    • displaySetItem()：在设置模式下显示当前设置项。
    • handleSetMode()：处理设置模式下的编码器旋转事件。
    • adjustTimeValue()：调整时间值（根据设置项）。
    • daysInMonth()：计算某年某月的天数。

功能概述：


该设备通过软串口与TVOC传感器通信，获取TVOC、HCHO和eCO2数据。这些数据会显示在LCD屏幕上，用户可以通过旋转编码器切换显示屏幕（三个屏幕：TVOC+HCHO、eCO2、最后记录）。同时，设备支持将数据记录到SD卡（记录状态由记录按钮控制）。设备还包含一个实时时钟（RTC）用于时间戳。旋转编码器长按可以进入时间设置模式，调整年、月、日、时、分、秒。

详细分析：

  1. 初始化（setup）：

    • 初始化串口（用于调试）。
    • 初始化板载LED（用于指示状态）。
    • 初始化LCD（尝试多个I2C地址）。
    • 初始化RTC（如果失败则显示错误，如果RTC未运行则使用编译时间设置）。
    • 初始化TVOC传感器的软串口。
    • 初始化SD卡（并确保数据文件存在）。
    • 初始化编码器引脚（上拉输入）。
    • 初始化记录按钮引脚（上拉输入）。
    • 创建自定义字符（SD卡图标）。
    • 显示初始化完成信息。

  2. 主循环（loop）：

    • 检查硬件状态（每5秒检查一次RTC和SD卡）。
    • 接收传感器数据（通过软串口，按照特定帧格式解析）。
    • 处理编码器事件（旋转和按钮，包括短按切换屏幕，长按进入时间设置模式）。
    • 处理记录按钮（按下切换记录状态，并切换到记录状态屏幕）。
    • 每500ms更新显示（包括时间和传感器数据）。
    • 每3秒检查SD卡状态（物理存在和功能状态）。

  3. 数据记录：

    • 当记录使能（recordingEnabled为true）且传感器数据有效且RTC可用时，将数据写入SD卡。
    • 数据文件为CSV格式，包含UNIX时间戳、日期时间、TVOC、HCHO、CO2。
    • 每次记录后更新最后一条记录（lastRecord结构体）。

  4. 显示：

    • 三个屏幕：
      Screen0: TVOC和HCHO的数值（第一行TVOC，第二行HCHO）。
      Screen1: eCO2的数值和日期时间（第一行eCO2，第二行日期和时间）。
      Screen2: 最后记录的数据（包括TVOC、eCO2、记录状态、SD卡状态）。
    • 在LCD右上角显示SD卡状态（自定义图标：正常为SD图标，物理存在但功能异常为'!'，不存在为'X'）。

  5. 时间设置模式：

    • 长按编码器按钮进入时间设置模式。
    • 通过旋转编码器调整当前设置项（年、月、日、时、分、秒）。
    • 每按一次按钮切换一个设置项，设置完所有项后退出设置模式并更新RTC时间。

  6. SD卡状态管理：

    • 定期检查SD卡物理存在（通过尝试初始化）和功能状态（通过读写测试）。
    • 状态变化时更新显示。

  7. 错误处理：

    • 初始化失败时在串口输出错误信息，并在LCD上显示（如RTC错误）。
    • SD卡写入失败时标记为功能异常，并点亮LED指示错误。

修复和增强：

代码中有一些修复和增强，例如SD卡状态检测、时间设置等。

需要单独考虑：

  • 使用条件判断来确保硬件可用性（如lcdInitialized, rtcAvailable等）。
  • 使用volatile关键字修饰编码器相关变量（因为它们在中断服务函数中修改，但本代码中并未使用中断，而是在主循环中查询，所以实际上可以不用volatile，但保留也无妨）。
  • 使用状态机思想处理编码器旋转和按钮事件。
  • 记录按钮和编码器按钮都做了防抖处理。
  • 在记录数据时，如果打开文件失败，会将sdCardFunctional置为false，然后在下一次检查时尝试恢复。

代码实现 

🛠️ ​硬件架构​
  1. ​核心控制器​：Arduino开发板
  2. ​传感器模块​：TVOC传感器（软串口通信）
  3. ​存储模块​：SD卡（SPI接口）
  4. ​显示模块​：I2C LCD1602液晶屏
  5. ​用户输入​：旋转编码器（CLK/DT/SW引脚） + 记录按钮
  6. ​时间模块​：DS1307 RTC时钟
  7. ​状态指示​：LED指示灯
🧩 ​代码结构分析​
🔌 ​1. 初始化设置（setup()）​​
void setup() {// 串口调试初始化Serial.begin(9600); // 硬件初始化链initLCD();       // LCD显示初始化[11](@ref)initRTC();       // 实时时钟初始化[6](@ref)initSDCard();    // SD卡系统初始化[10](@ref)initSensors();   // 传感器通信初始化// 用户输入设备初始化pinMode(ENC_CLK, INPUT_PULLUP);  // 编码器CLK引脚[9](@ref)pinMode(RECORD_BTN, INPUT_PULLUP); // 记录按钮// 自定义字符创建（SD图标）lcd.createChar(0, sdIcon);  // 创建SD卡图标[11](@ref)
}

​关键点​：

  • 采用模块化初始化策略，各硬件独立初始化
  • LCD支持多地址自动探测​（0x27/0x3F）
  • RTC首次启动时自动注入编译时间​
🔁 ​2. 主循环逻辑（loop()）​​
void loop() {checkHardwareStatus();    // 硬件健康监测（5秒间隔）receiveData();            // 传感器数据采集handleEncoder();          // 编码器事件处理[9](@ref)handleRecordButton();     // 记录按钮逻辑if(needDisplayUpdate()) { // 500ms显示刷新updateTimeDisplay();    // 更新时间显示[6](@ref)updateDisplay();        // 刷新LCD内容}checkSDStatus();          // SD卡状态监测（3秒间隔）[10](@ref)
}

​核心机制​：

  • ​分层式任务调度​：硬件监控、数据采集、用户交互分离
  • ​节流机制​：显示刷新(500ms)、SD检测(3s)避免资源争用
  • ​状态机驱动​：通过currentScreen管理三屏显示
📡 ​3. 传感器数据处理​
void processData() {byte checksum = 0;for(int i=0; i<8; i++) checksum += rawData[i];if(checksum != rawData[8]) { // 校验和验证Serial.println("TVOC checksum error!");return;}// 数据解析（大端序）currentData.tvoc = (rawData[2] << 8) | rawData[3]; currentData.hcho = (rawData[4] << 8) | rawData[5];currentData.eco2 = (rawData[6] << 8) | rawData[7];logSensorData(); // 有效数据记录
}

​协议特性​：

  • ​帧结构​：0x2C头 + 8字节数据 + 1字节校验和
  • ​错误处理​：校验失败自动丢弃数据包
  • ​数据映射​：TVOC/HCHO单位µg/m³，eCO₂单位ppm
💾 ​4. SD卡高级管理​
void checkSDStatus() {// 物理存在检测bool physicalPresent = SD.begin(SD_CS_PIN); if(physicalPresent != sdCardPresent) { // 状态变化检测if(sdCardPresent) {sdCardFunctional = checkSDFunctional(); // 功能测试if(sdCardFunctional) ensureDataFile();  // 文件系统验证[10](@ref)}}// 自动恢复机制if(sdCardPresent && !sdCardFunctional) {sdCardFunctional = checkSDFunctional(); // 定期重试}
}

​创新设计​：

  • ​双状态检测​：物理存在(sdCardPresent) + 功能状态(sdCardFunctional)
  • ​智能恢复​：定期尝试重新挂载失效SD卡
  • ​文件保障​：自动创建CSV文件并写入表头
  • ​图标化显示​：自定义SD状态字符(正常/异常/缺失)
⏰ ​5. 时间管理系统​
void handleSetMode() {if(encTurned) {int delta = (digitalRead(ENC_DT) != lastClkState) ? -1 : 1;adjustTimeValue(delta); // 时间值调整switch(setIndex) { // 多级设置菜单[9](@ref)case 0: newTime = DateTime(newTime.year()+delta, ...); break;case 1: // 月份（带天数边界检查）uint8_t newMonth = constrain(month+delta, 1, 12);uint8_t newDay = min(day, daysInMonth(newMonth, year));...}}
}

​交互特性​：

  • ​长按触发​：编码器按钮长按>1秒进入设置模式
  • ​循环设置​：年→月→日→时→分→秒→保存
  • ​智能边界​：自动计算每月天数（含闰年）
📊 ​6. 数据显示系统​
void updateDisplay() {switch(currentScreen) {case 0: // TVOC+HCHO同屏显示lcd.print("TVOC:"); lcd.print(currentData.tvoc); lcd.print("HCHO:"); lcd.print(currentData.hcho);break;case 1: // eCO2与日期时间lcd.print("eCO2:"); lcd.print(currentData.eco2);snprintf(dateBuffer, "%02d%02d%02d", now.year%100, now.month, now.day);break;case 2: // 最后记录与状态lcd.print("TV:"); lcd.print(lastRecord.tvoc);lcd.print("CO2:"); lcd.print(lastRecord.eco2);lcd.print(recordingEnabled ? "ON" : "OFF");displaySDStatus(); // 右下角状态图标[11](@ref)}
}

​显示优化​：

  • ​多屏切换​：编码器短按循环切换三个界面
  • ​动态更新​：时间显示每秒刷新，数据每500ms更新
  • ​状态集成​：SD图标(0)/警告(!)/缺失(X)直观指示
⚙️ ​系统创新设计​

  1. ​SD卡智能恢复系统​

    • 实现物理检测→功能验证→自动恢复的全链路管理
    • 采用双状态机模型（prevSdCardPresent/sdCardPresent）
    • 文件操作增加写后验证（创建测试文件校验完整性）

  2. ​时间设置容错机制​

    void adjustTimeValue(int delta) {case 1: // 月份调整uint8_t newDay = min(day, daysInMonth(newMonth, year));
    • 自动计算当月最大天数（含闰年判断）
    • 防止设置无效日期（如2月30日）

  3. ​数据记录优化​

    void logSensorData() {if(!recordingEnabled || !sdCardFunctional) return;File dataFile = SD.open("sensor.csv", FILE_WRITE);dataFile.print(unixTime); // UNIX时间戳[6](@ref)dataFile.print(currentData.tvoc); ...
    • 双时间戳存储：人类可读时间+UNIX时间戳
    • CSV格式标准化：兼容Excel/LibreOffice分析

  4. ​LCD显示优化​

    • ​自定义字符​：8×5像素SD图标设计
    • ​空间复用​：15×0位置显示状态图标
    • ​多屏布局​：科学分配16×2显示空间
📝 ​改进建议​

  1. ​增加传感器异常处理​

    // 在processData()中增加：
if(currentData.tvoc > 30000) { // 异常值判定Serial.println("Sensor out of range!");runSelfTest(); // 触发自检
}

  2. ​实现数据缓存机制​

    • SD卡不可用时启用RAM缓存
    • 恢复后自动写入缓存数据

  3. ​添加低功耗模式​

    void enterSleepMode() {if(noInteraction(5 * 60 * 1000)) { // 5分钟无操作lcd.noBacklight();setCpuFrequency(10); // ESP32特有节能}
}

  4. ​优化时间设置​

    // 在displaySetItem()中：
lcd.print("▲▼"); // 增加操作提示
🔍 ​关键引用说明​
  • ​LCD初始化​：支持I2C地址自动探测
  • ​RTC时间设置​：编译时间注入机制
  • ​SD卡操作​：CSV文件创建与表头写入
  • ​编码器控制​：旋转检测与按钮处理
  • ​数据显示​：多屏切换与自定义字符

该设计实现了环境数据的采集→处理→存储→显示全链路管理，通过创新性的状态管理和错误恢复机制，显著提升了系统的可靠性和用户体验。

代码修正1

时间设置功能的设计存在以下问题，导致LCD显示内容在时间设置期间会被覆盖：

  1. ​主显示循环冲突​：updateDisplay()函数每500毫秒运行一次，而该函数并不检查timeSetMode状态。因此即使在时间设置模式下，它仍会根据当前屏幕设置(0/1/2)覆盖显示内容。

  2. ​显示刷新逻辑​：displaySetItem()仅在旋转编码器时才被调用（通过handleSetMode()），没有独立的周期性刷新机制。当没有编码器操作时，主显示循环会覆盖时间设置界面。

解决方案

在updateDisplay()函数开头添加时间设置模式的专属显示逻辑：

void updateDisplay() {if (!lcdInitialized) return;// ============ 添加的代码 - 时间设置模式优先 ============if (timeSetMode) {displaySetItem();return;  // 进入设置模式后跳过常规显示}// =================================================// ... 其余原有代码保持不变 ...
}

具体修改说明

  1. ​优先级控制​：

    if (timeSetMode) {displaySetItem();return;
}
    • 首先检查是否处于时间设置模式
    • 当timeSetMode=true时立即显示设置界面
    • return语句确保退出函数，防止常规内容覆盖设置界面

完整测试代码

https://download.csdn.net/download/Medlar_CN/91477067

http://www.dtcms.com/a/297008.html

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