土壤湿度传感器 STM32F103 接线与代码

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define FIRMWARE_VERSION "v1.1"

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// GPIO 配置
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// 土壤湿度模块（腐蚀探头 + LM393 比较器小板，4 针：VCC / GND / DO / AO）
//   AO -> PA0（模拟量，ADC1_IN0，反映探头间电阻，湿度越大读数方向「已实测：越湿越小」）
//   DO -> PA1（数字量，LM393 比较器输出，超过电位器阈值时翻转）
//   VCC -> 3.3V（3.3V 供电，AO 输出 0~3.3V，与 STM32 ADC 量程一致，不要接 5V）
//   GND -> GND
// 注意：腐蚀式探头持续通电会电腐蚀电极。短时测试/拍视频直接接 3.3V 没问题；
//       长期插土里使用时，改成 GPIO/三极管控制供电（隔几秒上电→等几十ms→采样→断电）。
// 板载 LED -> PC13（bluepill 板载 LED，低电平点亮；DO 低电平时点亮，作观察用）
constexpr uint8_t SOIL_AO_PIN = PA0;
constexpr uint8_t SOIL_DO_PIN = PA1;
constexpr uint8_t LED_PIN = PC13;

// OLED 使用 I2C1 重映射引脚：SCL=PB8 / SDA=PB9（与 01~08 系列公共标准一致）
constexpr uint8_t I2C_SDA_PIN = PB9;
constexpr uint8_t I2C_SCL_PIN = PB8;
constexpr uint8_t OLED_ADDRESS = 0x3C;
constexpr uint8_t SCREEN_WIDTH = 128;
constexpr uint8_t SCREEN_HEIGHT = 64;
constexpr int OLED_RESET = -1;

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// 校准参数（实测数据，2026-08-18 记录）
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// ADC: 4000   STATE: DRY        DO: HIGH
// ADC: 3700   STATE: MOIST      DO: HIGH
// ADC: 3250   STATE: THRESHOLD  DO: LOW   <- DO 电位器实测翻转点，只是 DO 的阈值，不是湿度档位中点
// ADC: 2600   STATE: WET        DO: LOW
// 方向：ADC 越高越干，越低越湿。MOIST% 按 DRY(0%) ~ WET(100%) 线性换算。
// STATE（土壤干湿档位）与 DO（比较器电平）是两个独立概念，分开显示，不用 HIGH/LOW 当干湿状态名。
// 注意：水中测试只作极限参考，不要把「水中 ADC」当成实际土壤的 100%；
//       且只能让金属叉形探头接触水，LM393 小板不能浸水。
constexpr uint16_t SOIL_DRY_ADC = 4000;  // 干土 ADC 读数（0%）
constexpr uint16_t SOIL_WET_ADC = 2600;  // 湿土 ADC 读数（100%）

// STATE 三档分界（DRY / MOIST / WET，与 DO 翻转点 3250 无关，避免把 DO 阈值当成湿度中点）
constexpr uint16_t SOIL_TH_DRY   = 3850; // >= 该值 -> DRY
constexpr uint16_t SOIL_TH_MOIST = 3150; // >= 该值（且 < DRY）-> MOIST，否则 WET

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// 采样 / 滤波 / 刷新周期
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constexpr uint32_t SAMPLE_INTERVAL_MS = 20;    // 采样周期
constexpr uint8_t  ADC_AVG_SAMPLES    = 8;     // 每次读 8 次 ADC 取平均
constexpr float    EMA_ALPHA          = 0.08f; // 轻度指数滑动平均（越小越平滑，OLED 显示用）
constexpr uint32_t OLED_REFRESH_MS    = 200;   // OLED 重绘周期（约 5fps）
constexpr uint32_t SERIAL_INTERVAL_MS = 400;   // 串口打印周期（200~500ms）

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

// 状态
bool     g_hasOled = false;     // OLED 是否初始化成功
uint16_t g_rawAdc = 0;          // 最近一次 ADC 读数（8 次平均，串口/校准用）
float    g_smoothAdc = 0;       // 滑动平均后的 ADC（OLED 显示用，更稳）
bool     g_smoothInit = false;
bool     g_doLevel = false;     // DO 原始电平：true=HIGH / false=LOW

static uint32_t g_lastSampleMs = 0;
static uint32_t g_lastOledMs = 0;
static uint32_t g_lastSerialMs = 0;

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// 读取
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// DO：LM393 开漏输出，板上一般已有上拉，这里再开内部上拉更稳。
// 本阶段只如实上报电平 HIGH/LOW，不做 DRY/WET 判断（不同模块逻辑可能相反，待实测）。
// 连续读 5 次取多数（>=3 次 HIGH 才算 HIGH），避免电位器阈值附近抖动。
static bool readDoLevelStable() {
  uint8_t highCount = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
    if (digitalRead(SOIL_DO_PIN) == HIGH) highCount++;
  }
  return highCount >= 3;
}

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// 采样（8 次平均） + 轻度滑动平均
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// 一次读 8 次 ADC 取平均，再送指数滑动平均（仅 OLED 显示用）。
// 串口保留「未经百分比转换」的 8 次平均原始 ADC 值，供校准记录。
static uint16_t readAdcAverage() {
  uint32_t sum = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < ADC_AVG_SAMPLES; i++) {
    sum += analogRead(SOIL_AO_PIN);
  }
  return (uint16_t)(sum / ADC_AVG_SAMPLES);
}

static void updateSensor() {
  if (millis() - g_lastSampleMs < SAMPLE_INTERVAL_MS) return;
  g_lastSampleMs = millis();

  g_rawAdc = readAdcAverage();
  if (!g_smoothInit) {
    g_smoothAdc = (float)g_rawAdc;
    g_smoothInit = true;
  } else {
    g_smoothAdc += ((float)g_rawAdc - g_smoothAdc) * EMA_ALPHA;
  }

  g_doLevel = readDoLevelStable();
  digitalWrite(LED_PIN, g_doLevel ? HIGH : LOW);  // DO 低电平时点亮（bluepill LED 低电平点亮）
}

static const char* getDoText() {
  return g_doLevel ? "HIGH" : "LOW";
}

// ADC 越小越湿：DRY_ADC(0%) ~ WET_ADC(100%) 线性换算，并夹到 0~100
static uint8_t getMoisturePercent() {
  long pct = map((long)(g_smoothAdc + 0.5f), SOIL_DRY_ADC, SOIL_WET_ADC, 0, 100);
  if (pct < 0) pct = 0;
  if (pct > 100) pct = 100;
  return (uint8_t)pct;
}

static const char* getStateText() {
  uint16_t adc = (uint16_t)(g_smoothAdc + 0.5f);
  if (adc >= SOIL_TH_DRY)   return "DRY";
  if (adc >= SOIL_TH_MOIST) return "MOIST";
  return "WET";
}

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// OLED UI 绘制
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static void drawOledUi() {
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextWrap(false);

  // 顶部标题
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print(F("SOIL MOISTURE"));

  // 右上角 DO 指示点（实心 = LOW，空心 = HIGH）
  if (!g_doLevel) display.fillCircle(120, 4, 3, WHITE);
  else            display.drawCircle(120, 4, 3, WHITE);

  // 分隔线
  display.drawFastHLine(0, 9, 128, WHITE);

  // 右上角 DO 电平文字（与串口一致，如实上报，不做 DRY/WET 判断）
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(86, 16);
  display.print(F("DO:"));
  display.print(getDoText());

  // ADC 原始值（平滑后，现场观察更稳；串口才是 8 平均原始值）
  display.setCursor(0, 16);
  display.print(F("ADC:"));
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0, 27);
  display.print((uint16_t)(g_smoothAdc + 0.5f));

  // MOIST（按实测 SOIL_DRY_ADC/SOIL_WET_ADC 换算）
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 48);
  display.print(F("MOIST: "));
  display.print(getMoisturePercent());
  display.print(F(" %"));

  // 状态（按实测阈值分档：DRY/NORMAL/WET/VERY WET）
  display.setCursor(0, 57);
  display.print(F("STATE: "));
  display.print(getStateText());

  display.display();
}

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// 串口输出
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static void printSerialData() {
  Serial.printf("ADC=%u  DO=%s\n",
                (unsigned)g_rawAdc,
                getDoText());
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
  Serial.printf("Soil moisture demo %s starting...\n", FIRMWARE_VERSION);

  pinMode(SOIL_DO_PIN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  analogReadResolution(12);  // 明确 12 位 ADC，读数 0~4095

  // I2C1 重映射：PB9=SDA / PB8=SCL，必须先 setSDA/setSCL 再 begin()
  Wire.setSDA(I2C_SDA_PIN);
  Wire.setSCL(I2C_SCL_PIN);
  Wire.begin();
  Wire.setClock(100000);  // I2C 100kHz，与 01~08 系列公共标准一致

  if (display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDRESS)) {
    g_hasOled = true;
    display.clearDisplay();
    display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
    display.display();
    Serial.println(F("OLED 0x3C: found"));
  } else {
    Serial.println(F("OLED 0x3C: NOT found (continue with serial only)"));
  }

  // 首帧采样
  g_rawAdc = readAdcAverage();
  g_smoothAdc = (float)g_rawAdc;
  g_smoothInit = true;
  g_doLevel = readDoLevelStable();
  digitalWrite(LED_PIN, g_doLevel ? HIGH : LOW);
  g_lastSampleMs = millis();

  // 串口校准提示
  Serial.println(F("=== 校准（先做这步，再定最终阈值）==="));
  Serial.println(F("1. 探头悬空(空气中)   -> 记录 ADC 值"));
  Serial.println(F("2. 探头插入干土       -> 记录 ADC 值 = 干燥值"));
  Serial.println(F("3. 探头插入湿土/很湿的土 -> 记录 ADC 值 = 湿润值"));
  Serial.println(F("4. 改 main.cpp 里 SOIL_DRY_ADC / SOIL_WET_ADC 后重烧（v2）"));
  Serial.println(F("   水中只作极限参考，别当土壤 100%；且只能探头叉入水，小板别浸水"));
  Serial.println(F("输出格式: ADC:<原始8平均>  DO:<HIGH/LOW>"));
  Serial.println(F("注意: ADC 方向(越湿越大/越小)待实测，OLED 上 MOIST 暂不换算百分比"));

  if (g_hasOled) drawOledUi();
}

void loop() {
  updateSensor();

  if (millis() - g_lastOledMs >= OLED_REFRESH_MS) {
    g_lastOledMs = millis();
    if (g_hasOled) drawOledUi();
  }

  if (millis() - g_lastSerialMs >= SERIAL_INTERVAL_MS) {
    g_lastSerialMs = millis();
    printSerialData();
  }
}