基于 STM32 的智能宠物机器人

项目概述

本项目为 2025 校级科研项目 作品，设计了一款基于 STM32F103C8T6 的多姿态智能宠物机器人。系统通过蓝牙遥控或语音指令，驱动 5 个舵机实现 16 种复合动作（坐、站、趴、前进、后退、转圈、跳跃、摇尾巴、伸懒腰等），同时在 OLED 屏幕上实时显示 7 种拟人化表情，配合呼吸灯效果，赋予机器人"生命感"。

核心指标

• 主控：STM32F103C8T6，主频 72 MHz
• 舵机控制：5 路 PWM（4 足 + 1 尾），周期 20ms，脉宽 500~2500μs
• OLED 显示：SSD1306 128×64，I2C 接口，7 种自定义表情
• 蓝牙通信：USART3，9600bps，自定义指令集
• 语音控制：USART1，支持离线语音指令
• 灯光：2× LED，支持呼吸灯效果
• 供电：3.7V 锂电池

硬件架构

引脚分配

| 功能 | 引脚 | 说明 | |------|------|------| | 舵机1（左前腿） | TIM2_CH1 (PA0) | PWM 输出 | | 舵机2（右前腿） | TIM2_CH2 (PA1) | PWM 输出（反置） | | 舵机3（左后腿） | TIM2_CH3 (PA2) | PWM 输出 | | 舵机4（右后腿） | TIM2_CH4 (PA3) | PWM 输出（反置） | | 舵机5（尾巴） | TIM3_CH1 (PA6) | PWM 输出 | | LED1 | TIM3_CH3 (PB0) | 呼吸灯 PWM | | LED2 | TIM3_CH4 (PB1) | 呼吸灯 PWM | | OLED SCL | PB8 | I2C1 时钟线 | | OLED SDA | PB9 | I2C1 数据线 | | 蓝牙 TX | PB10 | USART3_TX | | 蓝牙 RX | PB11 | USART3_RX | | 语音 TX | PA9 | USART1_TX | | 语音 RX | PA10 | USART1_RX |

系统时钟

• HSE: 8 MHz 外部晶振
• PLL: ×9 → SYSCLK = 72 MHz
• APB1 = 36 MHz（定时器时钟 72 MHz）
• APB2 = 72 MHz
• PWM 频率：72MHz / 72 / 20000 = 50 Hz（舵机标准）

动作控制系统

16 种动作模式

系统通过全局变量 Action_Mode（0~15）调度动作，每个动作对应一种步态或姿态：

| 编号 | 动作 | 实现方式 | |------|------|----------| | 0 | 放松趴下 | 四肢伸展，尾巴归中 | | 1 | 坐下 | 前腿直立，后腿弯曲 | | 2 | 站立 | 四腿 90° 直立 | | 3 | 趴下 | 四肢收拢趴地 | | 4 | 前进 | 对角步态行走（8 步循环） | | 5 | 后退 | 反向步态（8 步循环） | | 6 | 左转 | 差速转向（4 步循环） | | 7 | 右转 | 差速转向（4 步循环） | | 8 | 摇摆 | 四腿同步左右摆动 | | 9 | 摇尾巴 | 尾部舵机 30°~150° 往复 | | 10 | 前跳 | 两段式前跳（交替蹬腿） | | 11 | 后跳 | 两段式后跳 | | 12 | 站立方式2 | 先立后腿再立前腿 | | 13 | 打招呼 | 单腿挥动（0°~45° 往复） | | 14 | 伸懒腰 | 前腿收拢→张开，后腿张开→收回 | | 15 | 后腿拉伸 | 左右后腿交替往复拉伸 |

非阻塞状态机设计

原代码中前进/后退等动作使用 while(Action_Mode==N) 阻塞主循环，导致无法实时响应新指令。重构后采用 static 变量状态机，每调用一次前进一步，主循环持续轮询，确保蓝牙指令实时响应：

void Action_advance(void) {
    static uint8_t step = 0;       // 当前步态步骤
    static uint8_t repeat = 0;     // 重复次数计数
    static uint16_t last_mode = 0xFFFF;  // 模式变化检测

    if (last_mode != 4) { step = 0; repeat = 0; }  // 新模式重置
    last_mode = Action_Mode;
    if (Action_Mode != 4) return;  // 非当前模式则退出

    switch (step) {
        case 0: Servo_Angle2(45);  Servo_Angle3(45);  break;
        case 1: Servo_Angle1(135); Servo_Angle4(135); break;
        // ... 8 步一个循环
    }
    Delay_ms(SpeedDelay);
    step++;
    if (step >= 8) {
        step = 0;
        repeat++;
        if (repeat >= CHONGFU_NUMBER && !Sustainedmove)
            Action_Mode = 2;  // 完成后回到站立
    }
}

舵机控制

5 个舵机通过 TIM2/TIM3 的 PWM 输出控制，角度转换为脉宽公式：

脉宽 = Angle / 180 × 2000 + 500  （单位：μs，对应 0°~180°）

右前腿和右后腿舵机机械安装反向，代码中通过 (180-Angle) 补偿：

void Servo_Angle2(float Angle) {
    PWM_SetCompare2((180-Angle) / 180 * 2000 + 500);
}

OLED 表情系统

7 种自定义表情

OLED 屏幕上实时显示与动作对应的拟人化表情，增强交互趣味性：

| Face_Mode | 表情 | 触发场景 | |-----------|------|----------| | 0 | 😴 睡觉 | 放松趴下 | | 1 | 😳 瞪大眼 | 趴下、摇尾巴 | | 2 | 😊 快乐 | 前进/后退/转向/跳跃 | | 3 | 🤩 狂热 | 速度拉到最快 | | 4 | 😄 非常快乐 | 摇摆、速度循环 | | 5 | 👀 眼睛 | 站立 | | 6 | 👋 打招呼 | 打招呼、伸懒腰 |

字模数据

所有表情为 128×64 位图，使用自定义取模工具生成 C 数组，存储在 OLED_Data.c 中：

const uint8_t Face_sleep[] = {
    0x00, 0x00, 0x00, // ... 1024 字节（128×64 / 8）
};

通信系统

双串口架构

系统使用两个 USART 实现不同控制方式：

| 串口 | 接口 | 用途 | 特点 | |------|------|------|------| | USART1 | PA9/PA10 | 语音控制 | 单次指令，不持续 | | USART3 | PB10/PB11 | 蓝牙控制 | 按住持续运动 |

指令协议

通过串口发送十六进制指令（0x29 ~ 0x49）控制：

| 指令 | 功能 | 指令 | 功能 | |------|------|------|------| | 0x29 | 放松趴下 | 0x40 | 摇尾巴（切换） | | 0x30 | 坐下 | 0x41 | 向前跳 | | 0x31 | 站立 | 0x42 | 向后跳 | | 0x32 | 趴下 | 0x43 | 打招呼 | | 0x33 | 前进 | 0x44 | 开启灯光 | | 0x34 | 后退 | 0x45 | 关闭灯光 | | 0x35 | 左转 | 0x46 | 开启呼吸灯 | | 0x36 | 右转 | 0x47 | 关闭呼吸灯 | | 0x37 | 摇摆 | 0x48 | 伸懒腰 | | 0x38 | 加速 | 0x49 | 后腿拉伸 | | 0x39 | 加速摇摆 | | |

代码重构修复

原代码存在 USART_ReceiveData 重复读取 Bug：在 if-else 链中连续调用 USART_ReceiveData()，每次调用都会读走 DR 寄存器数据，只有第一个 if 能匹配到正确值。

修复方案：提取统一处理函数 Process_Command()，先读一次存入局部变量再判断：

void USART3_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) == SET) {
        uint16_t rxData = USART_ReceiveData(USART3);  // 只读一次！
        Process_Command(rxData, 1);                    // 统一处理
        USART_ClearITPendingBit(USART3, USART_IT_RXNE);
    }
}

同时消除了 USART1 和 USART3 中断函数的重复代码（原 300+ 行重复逻辑）。

灯光系统

呼吸灯效果

TIM3 中断中实现呼吸灯，通过渐进式改变 PWM 占空比模拟呼吸效果：

// 呼吸灯状态机
if (PanDuan == 1) {  // 渐亮
    HuXi += 100;
    PWM_LED1(HuXi); PWM_LED2(HuXi);
    if (HuXi >= 20000) PanDuan = 2;
} else if (PanDuan == 2) {  // 渐暗
    HuXi -= 100;
    PWM_LED1(HuXi); PWM_LED2(HuXi);
    if (HuXi == 0) PanDuan = 3;
} else if (PanDuan == 3) {  // 暂停
    Wait += 1000;
    if (Wait >= 20000) { PanDuan = 1; Wait = 0; }
}

支持开关控制和常亮/呼吸两种模式切换。

项目成果

• ✅ 16 种复合动作稳定运行（坐、站、趴、前进、后退、转圈、跳跃、摇尾巴、伸懒腰等）
• ✅ OLED 实时显示 7 种拟人化表情
• ✅ 蓝牙 + 语音双通道遥控
• ✅ 呼吸灯效果
• ✅ 非阻塞状态机架构，动作可实时中断切换
• ✅ 代码重构：修复串口 Bug + 消除重复代码 + volatile 保护
• 🏆 获校级科研项目优秀奖

项目资料

📸 项目实拍

📄 设计文档

• 📑 SCH_v1.1 原理图（PDF）