Цифровой термометр‑гигрометр с логированием данных на microSD: строим умный регистратор

Примечание: статья создана с использованием искусственного интеллекта (для структурирования и редактирования текста).

Введение

Привет, друзья! Сегодня разберём проект, который сочетает простоту реализации и реальную практическую пользу — цифровой термометр‑гигрометр с записью данных на microSD.

Устройство на базе STM32 будет:

• измерять температуру и влажность;
• сохранять показания с меткой времени;
• выводить текущие значения на дисплей.

Идеально для контроля микроклимата в доме, теплице или лаборатории.

Зачем это нужно?

Обычный термометр показывает «сейчас», но не отвечает на вопросы:

• Как менялась температура за сутки?
• Были ли критические перепады влажности?
• Когда включалось отопление?

Наш регистратор решает эти задачи:

• создаёт архив измерений для последующего анализа;
• подаёт сигнал при выходе параметров за заданные границы.

Схема устройства

Система состоит из четырёх ключевых блоков:

1. Датчик (DHT22 или SHT31) — снимает показания температуры и влажности.
2. Микроконтроллер (STM32F103C8T6) — обрабатывает данные, управляет периферией.
3. MicroSD‑карта — хранит лог в текстовом формате.
4. Дисплей (LCD 16×2) — отображает текущие значения.

Дополнительно:

• часы реального времени (RTC, например, DS1307) — для тайм‑стемпинга;
• светодиод — индикация ошибок;
• суперконденсатор — страховка от потери данных при отключении питания.

Как это работает: пошаговый алгоритм

1. Инициализация

При включении STM32:

• настраивает GPIO для датчика и дисплея;
• активирует SPI для microSD и I²C для LCD;
• запускает RTC.

Калибровка RTC:

• выполняется один раз при первом включении или после замены батареи DS1307;
• для повышения точности возможна синхронизация через GPS или NTP (при наличии Wi‑Fi);
• для лучшей стабильности рекомендуется использовать термокомпенсированные RTC (например, DS3231).

2. Измерение параметров

Датчик опрашивается раз в 10 секунд.

Для DHT22 (интерфейс 1‑Wire):

• отправка стартового импульса;
• чтение 40 бит данных;
• проверка CRC.

Для SHT31 (интерфейс I²C):

• I²C‑запрос с проверкой контрольной суммы.

Важные нюансы:

• DHT22 требует стабильного питания (не ниже 3 В). Рекомендуется установить конденсатор 100 мкФ рядом с датчиком.
• Тайм‑аут ожидания ответа DHT22 установлен в 500 мс (с запасом; по спецификации — до ~200 мс).
• Для SHT31 убедитесь, что адрес устройства на шине I²C соответствует настройкам в коде (стандартные адреса: 0x44, 0x45).

3. Формирование записи

Данные упаковываются в строку формата CSV (удобно для Excel):
2026-02-03,15:42:10,22.3,48.7

Буфер накапливает 5–10 записей перед записью на карту — это снижает износ microSD.

4. Сохранение на microSD

Через библиотеку Petit FatFS устройство:

• открывает файл DATA.TXT в режиме добавления (формат 8.3, совместимый с FAT16/FAT32);
• записывает буфер;
• закрывает файл, чтобы избежать потери данных.

Важные ограничения Petit FatFS:

• не поддерживает длинные имена файлов;
• работает с FAT16/FAT32 (максимальный размер файла — 2 ГБ);
• при заполнении карты устройство переходит в режим «только чтение» до очистки.

Защита от сбоев:

• при ошибках записи система делает 3 попытки с интервалом 1 с;
• если ошибка сохраняется, данные остаются во внутреннем буфере STM32 до восстановления связи с картой;
• суперконденсатор (1–2 Ф, 5.5 В) обеспечивает 1–2 с для завершения операции f_write() и вызова f_close() при отключении питания. Он подключается параллельно питанию MCU через диод Шоттки для предотвращения обратного тока.

5. Вывод на дисплей

На LCD отображаются:

Temp: 22.3 C
Hum : 48.7 %

При ошибке датчика — сообщение ERR SENSOR.

6. Аварийная сигнализация

• Если температура > 30 °C, включается звуковой сигнал (пищалка).
• При отсутствии microSD мигает светодиод. После вставки карты запись возобновляется автоматически (без перезагрузки).

Ключевые технические нюансы

1. Файловая система
   Petit FatFS занимает ~6 КБ ОЗУ (критично для STM32F103).
   Имена файлов — в формате 8.3 (например, DATA.TXT).
2. Энергосбережение
   между измерениями MCU переходит в режим Sleep (потребление 1–2 мА при отключении периферии);
   в режиме Sleep отключаются: дисплей, датчик, SPI/I²C. RTC продолжает работать от резервного питания.
3. Защита от сбоев
   перед записью проверяется свободное место на карте;
   если DATA.TXT достигает 2 ГБ, создаётся DATA2.TXT;
   при заполнении всех файлов устройство переходит в режим «только чтение»;
   данные буферизируются для минимизации операций записи.
4. Точность времени
   RTC с кристаллом 32.768 кГц даёт погрешность < 1 мин/месяц (зависит от качества кристалла и температуры);
   калибровка выполняется при первом включении, после замены батареи или если погрешность > 5 мин/месяц.
5. Объём лога
   каждая запись занимает ~20 байт;
   при интервале 10 с: 8640 записей/день → ~173 КБ/день;
   на 1 МБ карты — ~6 дней данных (при интервале 20 с — ~14 дней).

Выбор компонентов: на что обратить внимание

Датчик

ПараметрDHT22SHT31Цена≈100 руб.≈300 руб.Погрешность температуры±2 °C±0.3 °CИнтерфейс1‑WireI²CУстойчивость к влагеНизкаяВысокая

Нюансы:

• DHT22 при высокой влажности может «зависать». Решение — принудительный сброс питания через MOSFET.
• Если датчик не отвечает в течение 500 мс, система регистрирует ошибку TIMEOUT и повторяет запрос в следующем цикле.

microSD‑модуль

• ищите платы с логическим уровнем 3.3 В (иначе нужен преобразователь);
• для надёжности используйте карты объёмом до 2 ГБ (некоторые SDHC‑карты ≥ 4 ГБ могут быть несовместимы с Petit FatFS);
• подключение: используйте аппаратный SPI1 (пины PA5–PA7, PA4 — CS). Если модуль на 5 В, добавьте преобразователь уровней (например, на транзисторах или микросхеме 74LVCX245).

Дисплей

• LCD 16×2 с модулем PCF8574 (стандартные адреса: 0x27 или 0x3F) экономит выводы MCU;
• альтернатива: OLED с SPI (освобождает выводы).

Важно: если дисплей не отображается:

• проверьте адрес устройства на шине I²C;
• убедитесь, что подтягивающие резисторы 4.7 кОм не создают «перетяжку» сигнала. При подключении нескольких устройств на шину:
  суммарное сопротивление подтяжки снижается (параллельное соединение);
  если оно становится < 1 кОм, сигналы могут искажаться;
  в таких случаях резисторы удаляют с одного или нескольких модулей либо заменяют на резисторы большего номинала (например, 10 кОм).

Питание

• стабилизатор LM1117‑3.3 для надёжного 3.3 В;
• суперконденсатор (1–2 Ф, 5.5 В) для страховки от потери данных при отключении питания.

Калибровка датчиков

Для повышения точности показаний датчиков DHT22 и SHT31 рекомендуется провести калибровку по эталонному прибору.