4. 传感器基础

在STM32机器人控制系统中，传感器是感知物理世界与自身状态的核心硬件层。无论是避障、循迹、测距、视觉识别还是姿态解算，最终都要转化为STM32可处理的电信号或数字帧。本章围绕机器人项目中五类最常用的传感器——红外、超声波、摄像头、编码器、IMU——展开，重点讲解其物理原理、电气接口、信号特性以及接入STM32时的工程要点。理解这些底层机制，是后续实现“感知—决策—执行”闭环控制的基础。

4.1 红外传感器：模拟电压测距与反射式检测

核心原理：红外传感器分为两类：一类是反射式光电开关（如TCRT5000），利用红外LED发射光，经物体反射后被光电晶体管接收，输出数字电平或模拟电压，常用于循迹和近距离障碍检测；另一类是三角测距传感器（如GP2Y0A21），利用红外光斑在PSD（位置敏感探测器）上的偏移量计算距离，输出与距离成反比的模拟电压，有效测距范围约10~80cm。

接口与信号特性：GP2Y0A21输出模拟电压，典型值为2.8V（10cm）至0.4V（80cm），电压与距离呈非线性反比关系。STM32通过ADC采样该电压，再通过查表或拟合曲线转换为实际距离。TCRT5000则输出数字信号（带比较器）或模拟信号（不带比较器），数字输出可直接接GPIO。

4.2 超声波传感器：飞行时间法测距

核心原理：HC-SR04通过发射40kHz超声波脉冲，并接收物体反射的回波，计算发射与接收之间的时间差Δt，距离 = Δt × 声速 / 2。声速在20°C空气中约为343m/s，温度每升高1°C，声速增加约0.6m/s，高精度应用需做温度补偿。

接口与信号特性：HC-SR04有4个引脚：VCC（5V）、GND、Trig（输入触发）、Echo（输出回波）。STM32向Trig引脚发送至少10μs的高电平脉冲，随后Echo引脚输出与距离成正比的高电平脉宽。脉宽范围约150μs（2.5cm）至25ms（4m）。STM32使用定时器输入捕获功能测量Echo高电平持续时间。

// 输入捕获测量Echo脉宽（伪代码）
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;   // 使能捕获通道1
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC1F_0; // 配置滤波
while(!(TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF)); // 等待上升沿捕获
uint32_t t1 = TIM2->CCR1;
while(!(TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF)); // 等待下降沿捕获
uint32_t t2 = TIM2->CCR1;
uint32_t pulse_width = t2 - t1;  // 定时器计数差值
float distance_cm = pulse_width * 0.017; // 假设72MHz时钟，1计数=1/72MHz

4.3 摄像头：视觉感知与图像数据流

核心原理：摄像头模块（如OV2640、OV7670）内部集成了CMOS图像传感器，将光信号转换为数字像素数据。输出格式可为RGB565、YUV422或JPEG压缩流。STM32通过DCMI（数字摄像头接口）外设接收并行数据，配合DMA将图像帧直接搬运到内存，避免CPU逐像素读取。

接口与信号特性：DCMI接口包含8位并行数据线（D0~D7）、像素时钟（PCLK）、行同步（HSYNC）、帧同步（VSYNC）以及主时钟（XCLK）。OV2640还支持SCCB（兼容I2C）接口用于寄存器配置，如设置分辨率、帧率、白平衡等。典型配置为640×480分辨率、30fps、RGB565格式，每帧数据量约614KB，需使用DMA双缓冲机制。

4.4 编码器：电机转速与位置反馈

核心原理：增量式编码器通过光电或磁感应原理，输出两路相位差90°的正交方波信号（A相和B相）。通过检测A/B相的相位关系可判断旋转方向，通过计数脉冲数可计算角位移。STM32定时器内置编码器接口模式，可自动处理正交解码，无需外部逻辑电路。

接口与信号特性：编码器输出为开漏或推挽信号，通常需要上拉电阻（若为开漏）。STM32定时器（如TIM3、TIM4）配置为编码器模式后，CH1和CH2分别接A相和B相，定时器计数器自动递增或递减。计数范围可配置为16位（0~65535）或32位（需级联）。

// 编码器模式配置（STM32 HAL库）
TIM_Encoder_InitTypeDef sEncoderConfig = {0};
sEncoderConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12; // 双沿采样
sEncoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sEncoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sEncoderConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sEncoderConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sEncoderConfig.IC1Prescaler = 0;
sEncoderConfig.IC2Prescaler = 0;
sEncoderConfig.IC1Filter = 0;
sEncoderConfig.IC2Filter = 0;
HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sEncoderConfig);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);

4.5 IMU：惯性测量单元与姿态解算

核心原理：IMU（如MPU6050）集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪。加速度计测量物体在三个轴上的加速度（包含重力分量），陀螺仪测量绕三个轴的角速度。通过融合算法（如互补滤波或Mahony滤波）可估算机器人的俯仰角、横滚角和偏航角。

接口与信号特性：MPU6050支持I2C接口（默认地址0x68）和SPI接口（部分型号）。I2C速率可达400kHz，数据输出为16位有符号整数。加速度计量程可配置为±2g/±4g/±8g/±16g，陀螺仪量程可配置为±250/±500/±1000/±2000°/s。STM32通过I2C读取寄存器数据，通常以100Hz~1kHz的频率轮询。

4.6 传感器信号调理与STM32接入实战

信号调理原则：不同传感器输出信号类型各异，接入STM32前需统一处理：模拟信号需满足ADC输入范围（0~3.3V），若传感器输出5V需分压或使用运放；数字信号需检查电平兼容性（3.3V/5V）；PWM信号需确认脉冲宽度在定时器可测量范围内；I2C/SPI信号需注意上拉电阻和总线电容。

案例：多传感器融合避障小车

某轮式机器人需实现前方避障功能，选用GP2Y0A21红外传感器（测距10~80cm）和HC-SR04超声波传感器（测距2~400cm）。初始现象：单独使用超声波时，近距离（<5cm）物体检测不到；单独使用红外时，远距离（>50cm）精度差。目标：实现5~80cm范围内可靠避障。

1. 硬件连接：红外OUT接PA0（ADC1_IN0），超声波Trig接PB0，Echo接PB1（TIM3_CH4）。
2. 软件策略：每20ms触发一次超声波测量，同时每10ms采样一次红外ADC。若超声波脉宽对应距离小于5cm，则信任红外数据；若红外电压对应距离大于50cm，则信任超声波数据；中间区域取两者加权平均。
3. 实测数据：在30cm处，红外输出1.1V（查表得28.5cm），超声波脉宽1.75ms（得29.8cm），加权后距离29.2cm，误差±1.5cm。
4. 结果：融合后有效测距范围扩展至5~80cm，且近距离盲区消除。代价是CPU占用增加约5%（用于滤波和查表），但换来了更稳定的避障性能。

4.7 常见误区与总结

• 误区一：所有传感器都直接接GPIO。实际上，模拟传感器必须接ADC引脚，PWM输出必须接定时器输入捕获通道，否则无法正确读取。
• 误区二：忽略电平转换。5V传感器输出直接接3.3V STM32引脚，可能损坏GPIO或导致逻辑混乱。应使用电平转换芯片或分压电阻。
• 误区三：不处理编码器溢出。16位计数器在高速旋转下很快溢出，若不处理会导致转速计算错误。
• 误区四：IMU数据不滤波直接使用。原始加速度计噪声大，陀螺仪有温漂，必须经过滤波和零偏补偿。
• 误区五：摄像头帧率越高越好。高帧率意味着更大的DMA带宽和CPU中断负载，需根据实际任务选择合适分辨率与帧率。