第一个项目——智能垃圾桶
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ARM内核单片机学习

1861 字
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12 分钟

1. 项目背景与目标

本项目旨在使用 STM32F103C8T6 最小系统板，结合 超声波模块（HC-SR04）、舵机、按键和 OLED 显示屏，设计一个智能垃圾桶系统。该系统能够实现自动感知距离，并根据超声波测距值控制舵机开关，同时支持按键触发操作。系统还可以在 OLED 屏幕上显示实时的测距信息。

本项目的设计重点是：

  • 综合训练 定时器中断、输入捕获和 PWM控制。
  • 训练配置 外部中断（按键触发），并设置中断优先级。
  • 使用 OLED 显示屏输出调试信息，提供距离反馈。

2. 硬件选型与连接

2.1 硬件选型

  • 主控板：STM32F103C8T6 最小系统板
  • 显示模块：0.96 寸 OLED 显示屏
  • 超声波模块：HC-SR04，用于测量距离
  • 舵机：用于控制垃圾桶的开关
  • 按键：用于手动触发操作
  • 电路搭建：使用面包板进行电路搭建

2.2 硬件连接

OLED 屏幕 (0.96寸)

  • SCL（时钟） → PB8
  • SDA（数据） → PB9
  • GND（地） → 直接连接到电源地（PB6 暂空）
  • VCC（供电） → 直接连接到电源正极（PB7 暂空）

超声波测距模块 (HC-SR04)

  • VCC（供电） → 5V（从 ST-LINK 单独引出）
  • GND（地） → GND
  • Trig（触发） → PA11（推挽输出，同时用于 TIM1通道4 间接下降沿输入捕获）
  • Echo（回声） → PA10（设置为 TIM1通道3 上升沿输入捕获）

舵机 (SG90)

  • VCC（供电） → 5V（与超声波模块共用 ST-LINK 5V 供电）
  • GND（地） → GND
  • PWM信号 → 未指定，请补充连接引脚信息

按键

  • 信号输入 → PB1（上拉输入）
  • GND（地） → GND

3. 软件设计

3.1 使用 STM32CubeMX 配置

在 STM32CubeMX 中进行以下配置：

  • 定时器 1：
    • 通道3 (PA10, Echo) → 上升沿输入捕获，启用 上升沿捕获中断
    • 通道4 (PA11, Trig) → 间接下降沿输入捕获
    • 时钟源 → Internal Clock
    • 预分频系数 → 72 - 1（即 1MHz 计数频率，每 1us 计数+1）
    • 自动重装载值 → 65535（最大计数时间 65.535ms，足够测 11m 以内的距离）
  • 定时器 2：
    • 时钟源 → Internal Clock
    • 通道2 (PA1) → PWM 生成预分频系数 → 720 - 1（即 72MHz / 720 = 100kHz 计数频率，每 10µs 计数+1）
    • 向上计数模式自动重装载值（ARR） → 2000 - 1（周期 20000 µs，即 20ms，符合舵机信号标准）
  • 外部中断：
    • 配置按键连接的 PB1 引脚为外部中断源，设置中断优先级。

3.2 主要功能实现

3.2.1 超声波测距与舵机控制

  • 使用定时器 1 的输入捕获功能来测量超声波回波的时延，从而计算物体的距离。
  • 当物体距离小于 5 cm 时，舵机会旋转至 40° 位置，同时 LED 灯亮起。
  • 在 2 秒后，舵机恢复至 0° 位置，LED 灯熄灭。
  • 用户按键触发时，舵机也会旋转至 40°，并点亮 LED。

3.2.2 中断管理与优先级

  • 超声波测距的输入捕获中断：设置定时器 1 的输入捕获中断，以便及时捕获回声信号并计算距离。
  • 按键中断：使用外部中断管理按键触发操作，按键触发时会优先处理，舵机旋转并点亮 LED。

3.3 代码解析

3.3.1 定时器 1 输入捕获中断

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim == &htim1 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4) {
    RisingEdgeTime = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_3);
    FallingEdgeTime = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_4);
    Distance = (FallingEdgeTime - RisingEdgeTime) * 0.034 / 2;
  }
}

该函数用于捕获上升沿和下降沿的时间，功能是通过定时器输入捕获中断计算超声波测距。代码解释如下：

  • 判断是否为定时器 1 的捕获通道 4（即超声波模块的 Trig 触发口）触发的中断。
  • 读取上升沿和下降沿的计数值（通过定时器输入捕获功能获取）。
  • 计算距离：
    距离公式为：$\text{Distance} = \frac{(\text{FallingEdgeTime} – \text{RisingEdgeTime}) \times 0.034}{2}$
  • 这里 0.034 是声音在空气中的传播速度（单位：厘米/微秒），除以 2 是因为超声波的传播是来回的。

3.3.2 外部中断处理（按键）

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if (GPIO_Pin == Key1_Pin) {
    key1_flag = 1;
  }
}

判断是否为 PB1 引脚的中断（即按键触发的中断）。如果是，设置 key1_flag 为 1，表示按键已被触发，主程序可以根据此标志位进行进一步的操作。

3.3.3 PWM 控制舵机

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, 94);

通过定时器 2 设置 PWM 波形的占空比来控制舵机的旋转角度。

3.4 中断优先级设置

HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_CC_IRQn, 2, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_CC_IRQn);
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI1_IRQn, 1, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI1_IRQn);

为定时器 1 捕获中断和按键中断设置了不同的优先级，确保按键事件能够高优先级响应。

4. 主函数逻辑

4.1 主函数代码

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_TIM2_Init();
  OLED_Init();

  HAL_TIM_Base_Start(&htim1); // 开启定时器1
  HAL_TIM_IC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3); // 开启通道3输入捕获 上升沿
  HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_4); // 开启通道4输入捕获中断，下降沿
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2); // 开启定时器2的PWM输出

  OLED_ShowString(2, 1, "Distance:");
  OLED_ShowString(2, 15, "cm");

  while (1)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_Port, Trig_Pin, GPIO_PIN_SET); // 拉高触发引脚
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_Port, Trig_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 拉低触发引脚
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim1, 0); // 清零定时器1计数器
    HAL_Delay(20);

    OLED_ShowNum(2, 11, (uint32_t)Distance, 3); // 显示距离，最大3位
    OLED_ShowString(2, 15, "cm");

    /* 1. 按键触发 (最高优先级) */
    if (key1_flag)
    {
        key1_flag = 0; // 清除标志位

        /* 舵机旋转到 40° */
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, 94);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); // 点亮 LED
        HAL_Delay(2000);

        /* 舵机旋转回 0° */
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, 50);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); // 熄灭 LED
        HAL_Delay(2000);
    }
    /* 2. 超声波触发 (低优先级) */
    else if (Distance < 5 && servo_state == 0)
    {
        servo_state = 1;
        servo_timer = HAL_GetTick(); // 记录触发时间

        /* 舵机旋转到 40° */
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, 94);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); // 点亮 LED
    }
    else if (servo_state == 1 && (HAL_GetTick() - servo_timer >= 2000))
    {
        servo_state = 0;

        /* 舵机旋转回 0° */
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, 50);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); // 熄灭 LED
    }

    HAL_Delay(500);
}

主函数中的初始化与启动

  • HAL_Delay(20): 延时 20ms，确保硬件初始化完成。
  • OLED_Init(): 初始化 OLED 显示屏。
  • HAL_TIM_Base_Start(&htim1): 启动定时器 1，用于超声波测距的输入捕获。
  • HAL_TIM_IC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3): 启动定时器 1 的 通道 3，用于捕获超声波回声的上升沿。
  • HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_4): 启动定时器 1 的通道 4，并使能输入捕获中断，用于捕获超声波回声的下降沿。
  • HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2): 启动定时器 2 的通道 2，输出 PWM 信号控制舵机。

主循环功能

  1. OLED 显示:
    • 显示“Distance: ”和“cm”提示信息。
    • 显示当前计算的距离值，单位为厘米。
  2. 超声波触发：
    • Trig 引脚拉高 1ms，然后拉低，触发超声波模块发射脉冲。
    • 清除定时器计数器，确保每次测距从零开始。
  3. 按键触发（优先级最高）：
    • 如果 key1_flag 为 1，表示按键被触发，舵机旋转到 40°，同时点亮 LED。
    • 舵机旋转后等待 2 秒，然后回到初始位置（0°）并熄灭 LED。
  4. 超声波触发条件（低优先级）：
    • 如果测得的距离小于 5cm 且舵机状态为默认（servo_state == 0），舵机旋转到 40°，并点亮 LED。
    • 如果舵机已旋转并且触发时间超过 2 秒，舵机回到 0° 并熄灭 LED。
  5. 延时：
    • 每次循环结束后延时 500ms，避免过于频繁的测量和操作。

总结

主循环负责以下任务：

  • 控制 OLED 显示距离。
  • 触发超声波测距。
  • 响应按键操作和距离变化，控制舵机旋转，并控制 LED 状态。

5. 实验现象

stm32嵌入式
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