STM32电棒 电池状态，附近雷达检测系统
⚡ STM32 Smart Baton & BMS Control System (Ultimate Edition)
本项目是一个基于 STM32F103C8T6 微控制器的手持自制高功率智能电棒控制与多功能显示终端。系统集成了高精度电池管理系统 (BMS)、高性能实时动态 UI 粒子渲染引擎、非阻塞环境温度状态机以及活体目标红外雷达检测。
本文档为完整详尽版，保留了所有底层代码逻辑、核心变量解析、数学模型与硬件选型规范，专为极客开发者、二次开发与量产调试提供深度参考。
🔌 1. 硬件引脚分配总览 (Pin Topology)
主控使用标准的 STM32F103C8T6 (LQFP48 封装，内核工作频率 72MHz)。系统核心工作逻辑电压为 3.3V。
| MCU 引脚 | 主要功能 | 连接模块 | 信号/功能描述 | 核心物理约束与备注 |
|---|---|---|---|---|
| PA0 | ADC1_IN0 | 电池电压检测电路 | V_BATT_SENSE (模拟输入) | 严禁直连电池，必须通过分压电阻降压！ |
| PA1 | GPIO | DS18B20 温度传感器 | DQ (单总线数据) | 开漏输出/上拉输入，外部必须接 4.7kΩ 上拉电阻 |
| PA2 | GPIO | OLED 显示屏 | CS (片选) | SPI 片选信号，推挽输出，低电平有效 |
| PA3 | GPIO | OLED 显示屏 | DC (数据/命令) | 数据/命令选择信号，推挽输出 |
| PA4 | GPIO | OLED 显示屏 | RES (复位) | 屏幕硬件复位，推挽输出 |
| PA5 | SPI1_SCK | OLED 显示屏 | SCK / D0 (时钟) | 硬件标准外设 SPI 主机时钟 |
| PA7 | SPI1_MOSI | OLED 显示屏 | MOSI / D1 (数据) | 硬件标准外设 SPI 主机单向输出数据 |
| PB9 | GPIO | 人体红外感应模块 | OUT (雷达数字信号输入) | 内部配置下拉，高电平有效 |
| 3.3V | POWER | 所有低压模块 | VCC | 系统主供电，确保 LDO 线性稳压器输出电流 $\ge 500\text{mA}$ |
| GND | POWER | 所有模块 | GND | 系统数字地与大功率地需合理共地 |
| VBAT | POWER | 动力电池主路 | Battery + | 连接电池正极 (经过分压电路引出至 PA0) |
| GND | POWER | 动力电池主路 | Battery - | 连接电池负极 |
🧠 2. 核心架构与全局变量解析 (Software Architecture)
本系统采用了裸机非阻塞架构 (Bare-metal Non-blocking)，通过精巧的状态机配合硬件级过滤算法，实现了高帧率动画与底层硬件数据采集的完美融合。
2.1 电池与双级滤波系统 (BMS)
realBatteryVoltage: 瞬时采集电压。单次循环中连续读取 10 次 ADC 并求算术平均。voltage_history[SMA_SIZE]&sma3_voltage: SMA-3 (简单滑动平均) 滤波器。长度为 3 的循环数组，用于剔除极短的高频尖峰噪声。smoothVoltage: IIR (无限脉冲响应) 滤波器。算法为(旧值 * 0.7) + (SMA新值 * 0.3)。这是系统最核心的稳定电压参考值，用于屏幕 UI 显示和插拔充电器的状态判定。baselineBatteryVoltage: 基准状态电压。系统通过对比瞬时电压与基准电压的差值（跌落或攀升），来判断设备是处于高功率放电（电击）还是正在充电。last_known_battery_voltage: 仅在完全待机（无充放电）时缓慢更新，记录电池在无负载下的真实静息电压，作为计算充电百分比的锚点。
2.2 充放电状态机与时间控制
isCharging/isDischarging: 核心状态标志位，决定当前 UI 渲染链路和物理逻辑走向。charge_session_start_time&initial_remaining_minutes: 充电会话管理变量。插入充电器时，根据当前静息电压预估充满所需的剩余分钟数，并随系统 Tick 运行倒计时。CHARGE_LOCKOUT_AFTER_DISCHARGE_MS(2000ms): 强逻辑防抖锁。电击放电结束后，电池电压会产生剧烈的电化学自恢复回弹。该锁定可防止系统将“电压回升”误判为“插入充电器”。
⚙️ 3. 核心算法与数学模型 (Algorithms & Math)
3.1 非线性 SoC 电池电量映射 (Non-linear SoC)
传统的线性电压映射会导致锂电池电量显示极不准确（3.7V 中间平台期很长）。代码建立了基于 VoltageSoC_t 结构体的非线性查找表 soc_table：
- 正向推演 (
get_percentage_from_voltage): 遍历区间，利用一元一次线性插值算法，将 6.0V 到 8.4V 的平滑电压精确映射为 0% - 100%。 - 反向推演 (
get_voltage_from_percentage): 在充电预估界面，系统不显示充电器的虚高电压，而是根据“已充入时间推算的百分比”反推出“平滑上涨的虚拟内部电压”，避免拔插瞬间数字跳变。
3.2 动态粒子引擎物理模型 (Particle Physics Engine)
- 引力场粒子 (待机模式):
使用update_and_draw_main_particles()函数。设定底部进度条为“引力区”(Y 轴 > 35)。当粒子下落至该区域时，计算目标向量差 (ax,ay)，乘以引力常数attraction_strength (0.08f)并施加到速度矢量vx,vy上，结合空气阻尼damping (0.95f)形成游离引力视觉。 - 吸积盘粒子 (充电模式):
引力中心设定在屏幕左上角电池图标处。计算粒子到中心的距离平方dist_sq，一旦距离小于吸收阈值，粒子即被“吞噬”并在屏幕远端重置，模拟电荷注入效果。 - 高频震动闪电 (放电模式):
drawDischargeAnimation()函数。预设闪电几何多边形顶点，在渲染u8g2_DrawLine时，向每个顶点注入rand() % 3 - 1(-1 到 1 像素) 的高频随机位置偏移 (Jitter)，产生强烈电击震动感。
3.3 纯非阻塞传感器驱动
- DS18B20 状态机:
完全摒弃HAL_Delay死等。拆分为：IDLE(发转换命令) ->START_CONVERSION(记录时间戳) ->READ_DATA(满 750ms 后读取)。为了满足 1-Wire 苛刻的微秒级时序，利用 ARM Cortex-M3 内核的DWT_CYCCNT周期计数器实现了极低开销的非阻塞微秒延时 (DWT_Delay_us)。 - OLED 硬件 SPI 底层重写:
重写了 U8g2 的u8x8_byte_4wire_hw_spi回调函数，抛弃慢速的 GPIO 翻转，直接调用 STM32 的硬件HAL_SPI_Transmit，极大释放了 CPU 算力，使物理引擎保持在 50+ FPS。
🛠️ 4. 电路元器件选型与量产避坑
4.1 电池分压网络 (至关重要)
$$V_{sense} = V_{batt} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$
- 推荐阻值: $R_1 = 36\text{k}\Omega$, $R_2 = 10\text{k}\Omega$ (理论分压比 4.6)。
- 精度要求: 务必选用 1% 精度的低温漂精密贴片电阻。
- 软件微调: 若量产出现系统性公差，直接修改代码中的
#define CAL_FACTOR 0.004007f。
4.2 OLED 屏幕与 PIR 传感器
- OLED: 必须购买 7针 4-Wire SPI 版本的 0.96寸 SSD1306。I2C 版本带宽不足，会导致粒子动画严重卡顿。
- PIR 雷达: 推荐 HC-SR501/505。注意部分模块要求 5V 供电，但输出信号 (OUT) 为安全的 3.3V 逻辑电平。
📦 5. 编译与烧录
- 环境准备: 推荐使用 STM32CubeIDE / Keil MDK-ARM。系统时钟通过 PLL 已配置为 72MHz。
- 依赖库: 引入 U8g2 图形库。
- 连线烧录: 使用 ST-Link V2 / DAP-Link 连接单片机 SWD 接口 (
3.3V,GND,SWDIO,SWCLK)，刷入 Hex/Bin 文件。
📸 6. 实际运行效果图展示
(复制项目内图片链接查看实际效果)
效果图
⚠️ 7. 严正免责声明与安全警告
- 高压电击风险：本项目开源范围仅包含微控制器前端的低压安全 BMS 监测模块、传感器控制系统和 UI 界面显示代码。严禁将本项目代码直接用于商业非法高压攻击性器械的制造。
- 锂电池防护约束：单片机软件存在复位跑飞的极端概率，绝对不能依赖本代码作为唯一的过充、过放或短路保护！动力电池组必须强制加装纯硬件级的保护板 (PCM/BMS)。
- 合规声明：因使用者自行改装高压发生装置导致的设备损毁、人身电伤及法律责任，均由使用者本人承担，开源作者不承担任何连带责任。
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