C++嵌入式开发实战项目教程

C++嵌入式开发实战项目教程：从零构建一个智能温湿度监控系统

大家好，作为一名在嵌入式领域摸爬滚打多年的开发者，我深知理论学习与项目实战之间的鸿沟。今天，我想带大家完成一个经典的嵌入式实战项目——基于STM32和DHT11传感器的智能温湿度监控系统。我们将全程使用C++进行开发，而不仅仅是C语言，体验一下面向对象思想在嵌入式中的魅力。这个项目麻雀虽小，五脏俱全，涵盖了GPIO操作、时序协议、串口通信、数据封装等核心技能。相信我，跟着做一遍，你会对嵌入式开发有全新的认识。

一、项目准备与硬件连接

首先，我们需要准备硬件。我使用的是STM32F103C8T6核心板（也就是常说的“蓝色药丸”），性价比极高。传感器是DHT11，一个数字式温湿度复合传感器。你还需要一块面包板、若干杜邦线和一个USB转TTL串口模块用于调试。

连接方式如下：

DHT11 VCC  ->  STM32 3.3V
DHT11 GND  ->  STM32 GND
DHT11 DATA ->  STM32 PB8 (可自定义，这里我选PB8)
USB-TTL TX ->  STM32 PA10 (USART1_RX)
USB-TTL RX ->  STM32 PA9 (USART1_TX)

踩坑提示1： DHT11的DATA引脚需要接一个4.7K-10K的上拉电阻到3.3V，否则读取可能不稳定。很多模块已经内置，如果是单独传感器，务必记得。

开发环境我选择STM32CubeIDE，它集成了CubeMX配置工具和IDE，对新手友好。首先用CubeMX初始化项目：选择MCU型号，配置PB8为推挽输出模式（初始状态为高），配置USART1为异步模式（波特率115200）。时钟树使用默认的8MHz HSE，PLL到72MHz即可。生成代码时，关键一步：在“Project Manager”的“Code Generator”选项卡中，勾选“Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral”，这能为我们的C++封装打下基础。

二、用C++封装DHT11驱动

这是本项目的核心亮点。我们不用一堆全局函数，而是创建一个`DHT11`类，将数据和操作封装起来。在`Core/Inc`文件夹下新建`dht11.hpp`和`dht11.cpp`。

dht11.hpp 头文件：

#ifndef DHT11_HPP
#define DHT11_HPP

#include "main.h" // 包含STM32 HAL库定义
#include 

class DHT11 {
public:
    // 构造函数，传入数据引脚对应的GPIO和Pin定义
    DHT11(GPIO_TypeDef* gpioPort, uint16_t gpioPin);
    
    // 初始化函数，设置引脚为上拉输出模式并拉高
    bool init();
    
    // 读取温湿度数据，成功返回true，数据通过引用返回
    bool read(float& temperature, float& humidity);
    
    // 获取最后一次读取的状态
    bool isLastReadSuccessful() const { return _lastReadSuccess; }

private:
    GPIO_TypeDef* _port;
    uint16_t _pin;
    bool _lastReadSuccess;
    
    // 底层时序函数
    void _setPinOutput();
    void _setPinInput();
    void _writePin(bool state);
    bool _readPin();
    bool _waitForPinState(bool targetState, uint32_t timeout);
    
    // 读取一个字节（5个位数据 + 校验和）
    bool _readByte(uint8_t& byte);
};

#endif // DHT11_HPP

dht11.cpp 实现文件（关键部分）：

#include "dht11.hpp"
#include "tim.h" // 我们需要一个基本的延时函数，可以使用HAL_Delay或自己用定时器实现微秒延时

DHT11::DHT11(GPIO_TypeDef* gpioPort, uint16_t gpioPin)
    : _port(gpioPort), _pin(gpioPin), _lastReadSuccess(false) {}

bool DHT11::read(float& temperature, float& humidity) {
    uint8_t data[5] = {0};
    
    // 1. 主机发起开始信号：拉低至少18ms，然后拉高20-40us
    _setPinOutput();
    _writePin(false);
    HAL_Delay(20); // 阻塞延时，实际项目建议用非阻塞定时器
    _writePin(true);
    delay_us(30); // 自己实现的微秒延时函数
    
    // 2. 切换为输入模式，等待DHT11响应
    _setPinInput();
    if(!_waitForPinState(false, 100) || !_waitForPinState(true, 100)) {
        _lastReadSuccess = false;
        return false; // 响应超时
    }
    
    // 3. 读取40位数据（5字节）
    for(int i = 0; i CYCCNT;
    while((DWT->CYCCNT - start) < ticks);
}

实战经验： DHT11的时序要求非常严格，微秒延时`delay_us`的准确性至关重要。上述实现使用了Cortex-M的DWT（Data Watchpoint and Trace）周期计数器，精度很高。记得在`main()`初始化时调用`CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;`和`DWT->CYCCNT = 0; DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;`来启用它。

三、主程序逻辑与串口输出

现在，我们在`main.c`（实际上我们可以把它改成`main.cpp`）中使用这个类。首先，在`main.cpp`中包含头文件，并实例化对象。

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "dht11.hpp"
#include  // 用于sprintf
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN PV */
DHT11 sensor(GPIOB, GPIO_PIN_8);
char uartBuffer[64];
/* USER CODE END PV */

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    // 启用DWT计数器（用于微秒延时）
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
    DWT->CYCCNT = 0;
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
    
    if(!sensor.init()) {
        // 初始化失败处理
        const char* errMsg = "DHT11 Init Failed!rn";
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)errMsg, strlen(errMsg), 1000);
    }
    
    float temp = 0, humi = 0;
    while (1) {
        if(sensor.read(temp, humi)) {
            int len = sprintf(uartBuffer, 
                              "Temperature: %.1f C, Humidity: %.1f%%rn", 
                              temp, humi);
            HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)uartBuffer, len, 1000);
        } else {
            const char* errMsg = "Failed to read from DHT11!rn";
            HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)errMsg, strlen(errMsg), 1000);
        }
        HAL_Delay(2000); // 每2秒读取一次，DHT11最快间隔1秒
    }
}

踩坑提示2： 使用`sprintf`会占用较多栈空间，并可能链接到标准库，增大程序体积。在资源紧张的MCU上，可以考虑使用更轻量的实现，或者直接分段发送字符串。

四、项目优化与扩展思路

至此，一个基础版本已经完成。但真正的实战不会止步于此。我们可以从以下几个方面优化和扩展：

1. 非阻塞式设计： 当前的`HAL_Delay`会阻塞整个系统。我们可以创建一个`SensorManager`类，利用状态机管理DHT11的读取时序，并结合定时器中断，实现“启动读取->等待->处理结果”的非阻塞流程，让MCU在等待期间可以处理其他任务。

2. 数据滤波： 传感器数据可能有毛刺。在类内部增加一个环形缓冲区，存储最近N次读数，并提供平均值、中位值等接口，使输出更稳定。

3. 添加显示模块： 连接一个OLED屏幕（I2C或SPI接口），将温湿度数据实时显示出来。这可以练习另一个重要的通信协议。

4. 实现告警功能： 在类中设置温湿度阈值，当数据超限时，通过另一个GPIO控制LED闪烁或蜂鸣器报警。

5. 使用RTOS： 如果项目复杂度增加，可以引入FreeRTOS。将传感器读取、串口发送、显示刷新等任务放在不同的线程中，由操作系统调度，这是工业级项目的常见做法。

五、总结与心得

这个项目虽然简单，但我们系统地实践了：硬件引脚配置、底层时序模拟、C++类封装、串口通信、调试方法。最重要的是，我们展示了C++在嵌入式开发中的可行性——通过封装，代码更清晰、更易维护和复用。下次当你拿到一个新的传感器时，试着为它写一个类吧，你会发现驱动开发变得有章可循。

嵌入式开发之路，始于点灯，终于架构。希望这个实战教程能成为你路上的一块有用的垫脚石。代码总有bug，硬件时常“玄学”，但解决问题的过程，正是我们成长的阶梯。祝你调试愉快！