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2026.03.18

20:27:27

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# 蓝桥杯嵌入式第十三届省赛详解教程

一、赛题概述本题是一个基于STM32的密码锁系统，主要功能包括：密码输入与验证（3位数字密码） LCD界面切换显示 PWM波形输出控制串口通信修改密码 LED状态指示与报警定时器多任务管理核心考点： 1. 定时器中断与时间片轮询 2. 串口通信协议设计与数据解析 3. PWM波形参数动态调整 4. 状态机设计二、系统架构设计 2.1 状态机设计系统有两个主要界面状态：状态转换逻辑： ui=0 → ui=1 ：密码输入…

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Use the guide rail to jump between sections.

一、赛题概述

本题是一个基于STM32的密码锁系统，主要功能包括：

密码输入与验证（3位数字密码）
LCD界面切换显示
PWM波形输出控制
串口通信修改密码
LED状态指示与报警
定时器多任务管理

核心考点：

定时器中断与时间片轮询
串口通信协议设计与数据解析
PWM波形参数动态调整
状态机设计

二、系统架构设计

2.1 状态机设计

系统有两个主要界面状态：

u8 ui = 0;  // 0: 密码输入界面(PSD)  1: 状态显示界面(STA)

状态转换逻辑：

ui=0 → ui=1：密码输入正确，按下KEY4
ui=1 → ui=0：5秒无操作自动退出（TIM6定时器计时）

2.2 全局变量设计

// 密码相关
u8 b1 = '@', b2 = '@', b3 = '@';           // 当前输入的密码
u8 password[3] = {'1','2','3'};            // 正确密码
u8 password_cnt = 0;                        // 密码错误次数

// PWM参数
u32 pa1_frq = 1000;                         // PWM频率
u8 pa1_duty = 50;                           // PWM占空比

// 标志位
_Bool key4_flag = 0;                        // 密码验证成功标志
_Bool led2_flag = 0;                        // LED2闪烁标志

// 串口接收
u8 rx_data, rx_pointer;                     // 接收缓冲
u8 rx_buff[10];                             // 接收数组

三、定时器详解（重点）

3.1 定时器架构设计

本系统使用了两个定时器：

TIM6：基本定时器，用于系统时基和中断任务
TIM2：通用定时器，用于PWM波形输出

3.2 TIM6 - 系统时基定时器

3.2.1 定时器配置

TIM6通常配置为1ms中断一次，作为系统的基准时钟：

// 在main.c中初始化
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);  // 启动TIM6中断

CubeMX配置要点：

Prescaler（预分频）：根据系统时钟计算，使计数频率为1MHz
Counter Period（自动重装载值）：999（1MHz / 1000 = 1kHz，即1ms）
使能TIM6全局中断

3.2.2 定时器中断回调函数

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim == &htim6)
    {
        HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);  // 重新启动定时器

        // 任务1：5秒自动退出登录
        if(key4_flag == 1)
        {
            time6_tick++;
            if(time6_tick >= 5000)  // 5000ms = 5秒
            {
                time6_tick = 0;
                key4_flag = 0;
                b1 = '@';
                b2 = '@';
                b3 = '@';
                ui = 0;  // 返回密码输入界面
            }
        }

        // 任务2：LED2闪烁控制
        if(led2_flag)
        {
            led2_tick++;
            if(led2_tick % 100 == 0)  // 每100ms翻转一次
            {
                led_num ^= 0x02;  // LED2翻转
            }
            if(led2_tick == 5000)  // 5秒后停止闪烁
            {
                led2_tick = 0;
                led2_flag = 0;
                led_num &= ~0x02;  // 关闭LED2
            }
        }
    }
}

关键技术点：

时间计数器设计：
- time6_tick：用于5秒自动退出计时
- led2_tick：用于LED2闪烁计时
- 每1ms中断一次，计数器+1，达到5000即为5秒

LED闪烁实现：

if(led2_tick % 100 == 0)  // 每100ms执行一次
{
    led_num ^= 0x02;  // 异或操作实现翻转
}

使用取模运算控制执行频率
异或操作实现LED状态翻转

注意事项：
- ⚠️ 代码中 if(led2_tick % 100) 应该是 if(led2_tick % 100 == 0)
- 当前写法会导致LED闪烁频率异常

3.3 TIM2 - PWM定时器

3.3.1 PWM原理

PWM（脉冲宽度调制）通过改变高电平占总周期的比例来控制输出：

频率（Frequency）：1秒内脉冲的次数
占空比（Duty Cycle）：高电平时间占总周期的百分比

3.3.2 PWM参数动态调整

void PWM_proc()
{
    if(uwTick - pwm_tick < 100) return;  // 100ms更新一次
    pwm_tick = uwTick;

    if(key4_flag)  // 密码正确
    {
        pa1_frq = 2000;   // 频率2000Hz
        pa1_duty = 10;    // 占空比10%

        // 设置自动重装载值（决定频率）
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, 1e6 / pa1_frq - 1);

        // 设置比较值（决定占空比）
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2,
                              1e6 / pa1_frq * pa1_duty / 100);
    }
    else  // 密码错误或未登录
    {
        pa1_frq = 1000;   // 频率1000Hz
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, 1e6 / pa1_frq - 1);
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2,
                              1e6 / pa1_frq * pa1_duty / 100);
    }
}

PWM计算公式详解：

假设TIM2的时钟频率为1MHz（1,000,000 Hz）：

ARR（自动重装载值）计算：

ARR = 时钟频率 / 目标频率 - 1
ARR = 1,000,000 / 2000 - 1 = 499

CCR（比较值）计算：

 $C C R = (A R R + 1) \times 占空比 /100$ 
CCR = 500 × 10 / 100 = 50

实际输出：
- 周期：500个计数周期 = 0.5ms = 2000Hz
- 高电平：50个计数周期 = 10%占空比

3.3.3 CubeMX配置要点

选择TIM2，启用Channel 2为PWM模式
Prescaler设置为使计数频率为1MHz

在main.c中启动PWM：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);

四、串口通信详解（重点）

4.1 通信协议设计

4.1.1 数据帧格式

格式：旧密码-新密码
示例：123-789
长度：7个字符

协议规则：

第0-2位：旧密码（3位数字）
第3位：分隔符 -
第4-6位：新密码（3位数字）

4.1.2 协议验证流程

接收数据 → 长度检查 → 格式检查 → 旧密码验证 → 修改密码

4.2 串口中断接收

4.2.1 中断回调函数

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    rx_buff[rx_pointer++] = rx_data;  // 存储接收的字节
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);  // 重新启动接收
    rx_tick = uwTick;  // 记录接收时间戳
}

关键技术点：

中断接收机制：
- 每接收1个字节触发一次中断
- 必须在回调函数中重新启动接收：HAL_UART_Receive_IT()
- 使用指针 rx_pointer 记录接收位置
时间戳记录：
- rx_tick = uwTick：记录最后一次接收时间
- 用于判断数据帧接收完成（超时机制）

初始化启动：

// 在main.c中
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);

4.3 数据解析处理

4.3.1 完整的解析函数

void RX_proc()
{
    // 超时判断：50ms内无新数据，认为接收完成
    if(uwTick - rx_tick < 50) return;
    rx_tick = uwTick;

    // 检查1：数据长度和格式
    if(rx_pointer == 7 && rx_buff[3] == '-')
    {
        // 检查2：前3位是否为数字
        for(u8 i = 0; i < 3; i++)
        {
            if(!(rx_buff[i] >= '0' && rx_buff[i] <= '9'))
            {
                printf("前3个字符为非数字，请重新输入\r\n");
                rx_pointer = 0;
                memset(rx_buff, 0, sizeof(rx_buff));
                return;
            }

            // 检查3：后3位是否为数字
            if(!(rx_buff[i + 4] >= '0' && rx_buff[i + 4] <= '9'))
            {
                printf("后3个字符为非数字，请重新输入\r\n");
                rx_pointer = 0;
                memset(rx_buff, 0, sizeof(rx_buff));
                return;
            }

            // 检查4：旧密码是否正确
            if(!(rx_buff[i] == password[i]))
            {
                printf("输入的前3位不正确！\r\n");
                rx_pointer = 0;
                memset(rx_buff, 0, sizeof(rx_buff));
                return;
            }
        }

        // 所有检查通过，修改密码
        printf("密码修改成功\r\n");
        password[0] = rx_buff[4];
        password[1] = rx_buff[5];
        password[2] = rx_buff[6];
    }
    else if(rx_pointer > 0)
    {
        printf("请输入7个字符，中间用"-"分隔\r\n");
    }

    // 清空接收缓冲区
    rx_pointer = 0;
    memset(rx_buff, 0, sizeof(rx_buff));
}

4.3.2 超时机制详解

if(uwTick - rx_tick < 50) return;

工作原理：

每次接收到字节时，更新 rx_tick = uwTick
在主循环中不断检查：当前时间 - 最后接收时间 > 50ms
超过50ms无新数据，认为一帧数据接收完成
开始解析数据

为什么需要超时机制？

串口是字节流传输，无法直接判断一帧数据何时结束
通过时间间隔判断数据帧边界
50ms是经验值，可根据实际情况调整

4.3.3 数据验证流程图

接收完成（超时50ms）
    ↓
长度=7 且 第3位='-' ?
    ↓ 是
前3位都是数字 ?
    ↓ 是
后3位都是数字 ?
    ↓ 是
前3位=当前密码 ?
    ↓ 是
修改密码成功
    ↓
清空缓冲区

4.4 printf重定向

4.4.1 重定向实现

#include <stdio.h>

struct __FILE
{
    int handle;
};

FILE __stdout;

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (u8 *)&ch, 1, 50);
    return ch;
}

原理：

重写 fputc 函数，将字符输出重定向到串口
printf 内部会调用 fputc 逐字符输出
实现后可直接使用 printf 进行串口调试

4.4.2 使用示例

printf("密码修改成功\r\n");
printf("当前频率：%dHz\r\n", pa1_frq);

注意事项：

使用 \r\n 作为换行符（Windows风格）
中文字符需要确保编码一致（通常使用GBK）
大量printf会影响实时性，调试完成后应删除

五、时间片轮询架构

5.1 轮询机制设计

系统使用时间片轮询方式管理多个任务：

while(1)
{
    LCD_proc();   // LCD显示任务
    KEY_proc();   // 按键扫描任务
    LED_proc();   // LED控制任务
    PWM_proc();   // PWM更新任务
    RX_proc();    // 串口数据处理任务
}

5.2 时间片控制

每个任务都有独立的时间片控制：

u32 lcd_tick = 0;
void LCD_proc()
{
    if(uwTick - lcd_tick < 100) return;  // 100ms执行一次
    lcd_tick = uwTick;

    // 任务代码...
}

时间片分配：

LCD显示：100ms
按键扫描：20ms
LED控制：10ms
PWM更新：100ms
串口处理：50ms（超时判断）

5.3 时间片设计原则

按键扫描频率最高（20ms）：
- 需要快速响应用户操作
- 实现按键消抖
显示更新适中（100ms）：
- 人眼刷新率约60Hz（16ms）
- 100ms足够流畅，降低CPU占用
PWM更新较慢（100ms）：
- PWM参数变化不频繁
- 降低不必要的寄存器写入

六、按键处理技巧

6.1 按键状态检测

void KEY_read()
{
    // 读取当前按键值
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == 0)
        key_value = 1;
    else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == 0)
        key_value = 2;
    else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_2) == 0)
        key_value = 3;
    else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == 0)
        key_value = 4;
    else
        key_value = 0;

    // 计算按键事件
    key_down = key_value & (key_value ^ key_old);  // 按下沿
    key_up = ~key_value & (key_value ^ key_old);   // 松开沿
    key_old = key_value;  // 保存旧值
}

6.2 边沿检测算法

按下沿检测：

key_down = key_value & (key_value ^ key_old);

真值表分析：

key_old	key_value	key_value ^ key_old	key_down
0	0	0	0
0	1	1	1 ✓
1	0	1	0
1	1	0	0

只有从0→1时，key_down才为1，实现按下沿检测。

6.3 密码输入逻辑

if(key_down == 1 && ui == 0)
{
    if(b1 == '@')
        b1 = '0' - 1;  // 初始化为'/'，+1后变为'0'
    if(b1 == '9')
        b1 = '0' - 1;  // 循环回'0'
    b1++;
}

循环逻辑：

@ → 0 → 1 → 2 → ... → 9 → 0 → ...

七、常见问题与优化

7.1 定时器相关问题

问题1：LED闪烁频率不对

// 错误写法
if(led2_tick % 100)  // 会在1-99时执行，频率过高

// 正确写法
if(led2_tick % 100 == 0)  // 只在100的倍数时执行

问题2：定时器中断未触发

检查是否启动中断：HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6)
检查NVIC是否使能
检查中断优先级配置

7.2 串口通信问题

问题1：接收不到数据

检查波特率配置是否一致
检查是否启动中断接收：HAL_UART_Receive_IT()
检查TX/RX引脚是否正确

问题2：数据丢失

增大接收缓冲区
减小超时时间
使用DMA接收

问题3：中文乱码

统一编码格式（GBK或UTF-8）
检查串口助手编码设置

7.3 PWM输出问题

问题1：无PWM输出

检查是否启动PWM：HAL_TIM_PWM_Start()
检查引脚复用配置
检查ARR和CCR值是否合理

问题2：频率不准确

确认定时器时钟频率
重新计算ARR值
使用示波器验证

八、代码优化建议

8.1 魔术数字优化

// 优化前
if(time6_tick >= 5000)

// 优化后
#define AUTO_LOGOUT_TIME 5000  // 5秒自动退出
if(time6_tick >= AUTO_LOGOUT_TIME)

8.2 函数封装

// 封装密码验证函数
_Bool verify_password(u8 b1, u8 b2, u8 b3)
{
    return (b1 == password[0] &&
            b2 == password[1] &&
            b3 == password[2]);
}

// 使用
if(verify_password(b1, b2, b3))
{
    ui = 1;
    // ...
}

8.3 状态机优化

使用枚举类型代替魔术数字：

typedef enum {
    UI_PASSWORD = 0,
    UI_STATUS = 1
} UI_State;

UI_State current_ui = UI_PASSWORD;

九、调试技巧

9.1 串口调试

// 在关键位置添加调试信息
printf("KEY_DOWN: %d\r\n", key_down);
printf("Password: %c%c%c\r\n", b1, b2, b3);
printf("PWM Freq: %d, Duty: %d\r\n", pa1_frq, pa1_duty);

9.2 LED指示调试

// 使用LED指示程序运行状态
led_num |= 0x80;  // LED8常亮表示程序运行
LED_disp(led_num);

9.3 逻辑分析仪

使用逻辑分析仪观察：

PWM波形参数
串口通信时序
按键抖动情况

十、总结

10.1 核心知识点

定时器应用：
- 基本定时器中断（TIM6）
- PWM定时器配置（TIM2）
- 时间片轮询架构
串口通信：
- 中断接收机制
- 数据帧协议设计
- 超时判断与解析
- printf重定向
状态机设计：
- 界面切换逻辑
- 标志位管理
- 自动退出机制

10.2 蓝桥杯备赛建议

熟练掌握HAL库：
- 定时器配置与中断
- 串口收发与中断
- PWM输出控制
代码模板积累：
- 按键扫描模板
- 串口协议解析模板
- 时间片轮询框架
调试能力培养：
- 串口调试技巧
- 逻辑分析仪使用
- 问题定位方法
时间管理：
- 先实现基本功能
- 再优化细节
- 预留测试时间

附录：完整工程结构

项目目录/
├── Core/
│   ├── Src/
│   │   ├── main.c          # 主函数，初始化
│   │   ├── user.c          # 用户逻辑代码
│   │   └── stm32g4xx_it.c  # 中断服务函数
│   └── Inc/
│       ├── user.h          # 用户头文件
│       └── main.h
├── Drivers/              # HAL库驱动
└── Middlewares/          # LCD等中间件

关键文件说明：

main.c：硬件初始化，启动定时器和串口中断
user.c：所有业务逻辑，包括LCD、按键、LED、PWM、串口处理
user.h：函数声明和宏定义

作者：蓝桥杯嵌入式备赛团队日期：2026年3月版本：v1.0

本教程基于蓝桥杯嵌入式第十三届省赛真题编写，重点讲解定时器和串口通信的实现细节，适合备赛选手学习参考。