基于 STM32F103 蓝牙遥控云台超声波避障小车

1. 项目概述
2. 硬件系统设计
3. 资源分配与硬件接线表
4. 定时器资源规划
5. 软件总体架构
6. 模块详细原理说明
7. 通信协议规范
8. 程序运行流程
9. 关键代码说明
10. 系统调试要点与现存问题
11. 功能扩展方案

1 项目概述

本系统为蓝牙遥控智能探测小车，搭载 SG90 舵机云台带动 HC-SR04 超声波传感器，实现多角度环境测距；支持手机蓝牙单字符指令远程控制小车运动、云台定位、云台自动往复扫描；搭载三色 LED 分级距离报警、0.96 寸 OLED 双页面状态显示；定时向上位机回传障碍物距离、舵机角度、危险预警信息。

核心功能列表

1. HC-05 蓝牙无线指令遥控小车前进、后退、左转、右转、停止；
2. TIM2 PWM 实现电机调速，支持高速 / 低速档位切换；
3. SG90 舵机云台：手动角度定位（0°/90°/180°）、自动往复扫描；
4. HC-SR04 超声波测距，测量单位 cm，超时无回波标记超量程；
5. 三色 LED 按照障碍物距离分级常亮 / 闪烁预警；
6. OLED 双页面循环刷新，实时展示系统运行状态；
7. 串口节流上报传感数据，降低串口占用；
8. 所有外设模块化驱动，便于调试与功能拓展。

2 硬件系统设计

2.1 硬件清单

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2.2 系统总体框图

plaintext

手机蓝牙APP ←→ HC-05 ←→ USART1 ←→ STM32F103主控 ↓ ┌────────┬────────┬────────┬────────┬────────┐ │TIM3舵机│TIM2电机│HC-SR04 │OLED屏 │三色LED │ │PWM云台 │PWM调速 │测距模块│显示模块│报警指示│ └────────┴────────┴────────┴────────┴────────┘

3 引脚资源分配与硬件接线表

重要预处理：上电执行GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);释放 PA15 引脚用作 TIM2_CH1 PWM 输出，同时保留 SWD 下载调试功能。

3.1 电机控制（GPIOA）

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3.2 LED 报警指示灯（GPIOB）

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3.3 HC-SR04 超声波模块（GPIOB）

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3.4 SG90 舵机云台

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3.5 HC-05 蓝牙模块 USART1

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3.6 OLED 显示屏（软件 I2C，oled.h 内部宏定义）

SDA、SCL 使用 PA 口自定义引脚，由 oled 驱动文件内部宏控制。

4 定时器资源规划

系统时钟 72MHz

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说明：TIM4 中断服务函数代码暂时注释，可根据需求开启用于超声波脉宽计时。

5 软件总体架构

采用前后台裸机架构

• 后台（异步中断）USART1 接收中断：接收蓝牙单字符指令，置位接收标志位； TIM4 更新中断：提供 10μs 计时基准（可选开启）。
• 前台（主循环 while (1) 轮询）指令解析 → 超声波测距 → 云台角度控制 → 电机持续输出 → LED 报警逻辑 → 串口数据上报 → OLED 页面刷新。

工程文件划分

1. main.c：应用层主逻辑、状态调度、外设初始化
2. SystemTime.h：SysTick 延时函数
3. lanya.h/c：USART1 蓝牙通信驱动、接收中断
4. servo.h/c：TIM3 舵机 PWM 驱动、角度设置
5. HC_SR04：超声波触发、测距、距离换算
6. oled.h/c：软件 I2C OLED 显存驱动、字符 / 数字显示
7. 电机驱动函数：GPIO 初始化、PWM 占空比配置、运动控制

6 模块详细原理说明

6.1 电机驱动与调速模块

1. IN1~IN4 为方向控制 GPIO，控制电机正反转；
2. PA15 输出 TIM2 PWM 信号接到 L298N 使能引脚实现调速；
3. PWM 配置：ARR=999，PSC=71，频率 = 72M/(71+1)/(999+1)=1kHz；
4. SetPWM_Duty()修改 CCR1 寄存器，占空比范围 0~999；
5. 指令V将占空比设置为 400，实现低速行驶；默认占空比 600。

电机动作逻辑：

• F前进：IN1=1,IN2=0；IN3=1,IN4=0
• B后退：IN1=0,IN2=1；IN3=0,IN4=1
• L左转：IN1=0,IN2=1；IN3=1,IN4=0
• R右转：IN1=1,IN2=0；IN3=0,IN4=1
• S停止：全部引脚拉低

6.2 SG90 舵机云台控制

SG90 标准控制：50Hz PWM（周期 20ms） 脉宽计算公式： \(Pulse = 500 + angle × \frac{2000}{180}\)

• 0° → 500
• 90° → 1500
• 180° → 2500

自动扫描模式：角度 0°↔180° 往复，每 5ms 步进 10°；收到定位指令自动关闭自动扫描。

6.3 HC-SR04 超声波测距原理

1. Trig 输出 15μs 高电平触发超声波发射；
2. 等待 Echo 上升沿、下降沿，通过 TIM4 累计 10μs 计时；
3. 音速取 25℃标准 346m/s，往返距离换算： \(Distance_{mm}=\frac{time×346}{200}\)
4. 增加两级超时保护，无有效回波返回 0；上层代码将距离标记为 999.0cm（超量程）；
5. 主循环每 5 次轮询执行一次测距，降低 CPU 占用。

6.4 LED 分级报警策略

LED 为低电平点亮：

1. distance > 100cm：绿灯常亮 → 安全区域
2. 50cm ≤ distance ≤ 100cm：黄灯 5ms 周期闪烁 → 预警区域
3. distance < 50cm：红灯 5ms 周期闪烁 → 危险区域

6.5 OLED 显示机制

双页面交替刷新，页面切换间隔 150ms：

• 页面 1：云台角度 Angle + 障碍物距离 Dist
• 页面 2：小车运动状态 MOT、云台扫描开关 SCAN、危险提示 WARN (SAFE/DANGER) 驱动采用显存缓存OLED_GRAM数组，统一调用OLED_Refresh()刷新屏幕，减少 I2C 频繁通信。

7 通信协议规范

7.1 上位机下发控制指令（单字符指令）

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通信机制：串口中断接收单字节，接收完成置usart_flag=1，主循环解析指令。

7.2 小车向上位机主动上报数据包

上报周期：200ms（节流控制，防止串口刷屏） 输出格式：

plaintext

DIST:XX.Xcm,WARN:X,ANG:XXX\r\n

• DIST：障碍物距离（cm）
• WARN：1 = 距离＜50cm 危险；0 = 安全
• ANG：舵机当前角度（0~180）

8 程序运行流程

1. 系统初始化顺序 释放 PA15 引脚 → SysTick 延时 → NVIC 优先级分组 → OLED → 舵机 → USART1 → HC-SR04 → TIM4 → 电机 GPIO → LED → TIM2 PWM
2. OLED 打印启动提示，延时 800ms 清屏；上电舵机归位 0°；
3. 进入主循环轮询： ① 判断蓝牙接收标志，解析指令更新小车状态、云台状态； ② 定时触发超声波测距，更新距离变量； ③ 若开启自动扫描，持续更新舵机角度； ④ 持续输出电机控制电平； ⑤ 根据距离阈值执行 LED 亮灭 / 闪烁逻辑； ⑥ 200ms 定时向上位机发送传感数据； ⑦ OLED 双页面交替刷新； ⑧ delay_ms (150)，进入下一轮循环。

9 关键代码说明

1. 全局状态变量

c

运行

u8 motor_run_state = 'S'; //小车运行状态 u8 scan_mode = 0; //云台自动扫描开关 uint16_t motor_pwm_duty = 600; //电机PWM占空比 u16 angle = 0; //舵机角度 float distance = 0.0f; //障碍物距离(cm)

1. 串口接收采用单字节接收，适合蓝牙简易遥控 APP；
2. 超声波测距加入超时保护，避免程序卡死在 while 等待；
3. OLED 采用显存缓存机制，所有绘图操作先写入数组，统一刷新；
4. 数据上报增加时间戳节流，避免频繁占用串口总线。

10 系统调试要点与现存问题

调试注意事项

1. PA15 复用冲突：必须执行GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable，否则 TIM2_CH1 无法输出 PWM；
2. 整机所有模块必须共地，电机大电流干扰会导致串口、超声波数据异常；
3. SG90 舵机负载不宜过重，云台轻量化，防止电压跌落导致单片机复位；
4. HC-SR04 存在盲区，小于 2cm 无法测量；软材质障碍物测距误差较大；

当前代码存在缺陷

1. 主循环使用delay_ms(150)阻塞延时，降低系统实时响应；
2. 超声波未做多次采样滤波，测距数据波动较大；
3. 蓝牙仅支持单字符指令，无法连续调速；
4. 无指令超时看门狗，蓝牙断开后小车持续保持原有动作；
5. TIM4 中断函数注释，若开启需要保证中断变量time使用 volatile 修饰。

11 功能扩展方案

1. 移除阻塞 delay，基于 tick_ms 实现非阻塞事件调度，提升实时性；
2. 增加超声波多次采样均值滤波，稳定测距数据；
3. 设计多字符通信协议，支持连续调速、角度连续控制；
4. 添加指令超时检测，蓝牙失联后小车自动停止；
5. 增加自动避障逻辑：距离＜阈值自动转向避让；
6. 增加蜂鸣器声音报警；
7. 增加电池电压检测与低电量报警；
8. 增加按键本地手动控制。

12 核心代码

#include "SystemTime.h" static u8 fac_us=0; //us延时倍乘数 static u16 fac_ms=0; //ms延时倍乘数 //初始化延迟函数 //SYSTICK的时钟固定为AHB时钟的1/8 //SYSCLK:系统时钟频率 void SysTick_Init(u8 SYSCLK) { SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8); fac_us=SYSCLK/8; fac_ms=(u16)fac_us*1000; SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk; } //延时nus //nus为要延时的us数. void delay_us(u32 nus) { u32 temp; SysTick->LOAD=nus*fac_us; //时间加载 SysTick->VAL=0x00; //清空计数器 SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //开始倒数 do { temp=SysTick->CTRL; }while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16))); //等待时间到达 SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //关闭计数器 SysTick->VAL =0X00; //清空计数器 } //延时nms //注意nms的范围 //SysTick->LOAD为24位寄存器,所以,最大延时为: //nms<=0xffffff*8*1000/SYSCLK //SYSCLK单位为Hz,nms单位为ms //对72M条件下,nms<=1864 void delay_ms(u16 nms) { u32 temp; SysTick->LOAD=(u32)nms*fac_ms; //时间加载(SysTick->LOAD为24bit) SysTick->VAL =0x00; //清空计数器 SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //开始倒数 do { temp=SysTick->CTRL; }while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16))); //等待时间到达 SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //关闭计数器 SysTick->VAL =0X00; //清空计数器 }