STM32单片机应用案例精选：从传感器采集到电机控制，探索实际应用场景

# 1. STM32单片机简介及应用概述

STM32单片机是意法半导体公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗、丰富的外设和广泛的应用场景。

### 1.1 STM32单片机特点

* **基于ARM Cortex-M内核：**提供高性能和低功耗。
* **丰富的外设：**包括定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C等，满足各种应用需求。
* **低功耗模式：**支持多种低功耗模式，延长电池寿命。
* **广泛的封装：**提供多种封装形式，满足不同应用场景的尺寸和引脚数要求。

### 1.2 STM32单片机应用

STM32单片机广泛应用于以下领域：

* **物联网：**传感器节点、智能家居、可穿戴设备。
* **工业控制：**电机控制、传感器采集、仪器仪表。
* **消费电子：**智能手机、平板电脑、游戏机。
* **医疗保健：**医疗设备、可穿戴健康监测器。

# 2. 传感器采集与处理

### 2.1 传感器接口与数据采集技术

传感器是嵌入式系统中获取外界信息的重要手段。根据信号类型，传感器接口可分为模拟传感器接口和数字传感器接口。

#### 2.1.1 模拟传感器接口

模拟传感器接口将传感器输出的连续模拟信号转换为数字信号，以便微控制器处理。常用的模拟传感器接口包括：

- **ADC（模数转换器）：**将模拟电压信号转换为数字信号。ADC的精度和采样率决定了数据采集的质量。
- **DAC（数模转换器）：**将数字信号转换为模拟电压信号。DAC用于控制模拟设备，如电机和显示器。

#### 2.1.2 数字传感器接口

数字传感器接口直接输出数字信号，无需模数转换。常见的数字传感器接口包括：

- **I2C：**一种串行通信协议，用于连接多个传感器和微控制器。
- **SPI：**一种高速串行通信协议，用于连接高带宽传感器。
- **UART：**一种异步串行通信协议，用于连接传感器和远程设备。

### 2.2 传感器数据处理与滤波

传感器采集的数据通常包含噪声和干扰，需要进行处理和滤波以提高数据质量。

#### 2.2.1 数据平滑与滤波算法

**数据平滑：**通过平均或移动平均等方法消除数据中的高频噪声。
**滤波：**通过低通滤波器或带通滤波器等方法去除数据中的特定频率成分。

#### 2.2.2 数据校准与补偿

传感器数据可能存在误差，需要进行校准和补偿以提高精度。

**校准：**通过已知标准信号校正传感器输出的偏移和增益。
**补偿：**通过算法补偿传感器输出随温度、湿度等环境因素的变化。

**代码块：**

import numpy as np

# 数据平滑：移动平均
def moving_average(data, window_size):
    return np.convolve(data, np.ones(window_size), 'valid') / window_size

# 数据滤波：低通滤波
def lowpass_filter(data, cutoff_freq, fs):
    b, a = butter(order, cutoff_freq / (fs / 2), btype='low')
    return filtfilt(b, a, data)

**逻辑分析：**

* `moving_average()` 函数使用 NumPy 的 `convolve()` 函数对数据进行移动平均，窗口大小由 `window_size` 参数指定。
* `lowpass_filter()` 函数使用 NumPy 的 `butter()` 和 `filtfilt()` 函数设计和应用低通滤波器，截止频率由 `cutoff_freq` 参数指定，采样率由 `fs` 参数指定。

# 3.1 电机驱动原理与控制算法

### 3.1.1 直流电机控制

**原理**

直流电机是一种利用电磁感应原理工作的电机，其工作原理是：当电流通过电机线圈时，会产生磁场，该磁场与电机定子的磁场相互作用，产生转矩，从而带动电机转子旋转。

**控制算法**

直流电机的控制算法主要有：

- **开环控制：**不反馈电机实际转速或位置，通过调节电机供电电压或电流来控制电机转速。
- **闭环控制：**通过反馈电机实际转速或位置，与期望值进行比较，并调节电机供电电压或电流，以实现精确控制。

**代码示例：**