场景实战：基于STM32的汽车车窗自动防夹与雨滴感应控制解决方案解析

文章目录

• • 一、方案整体设计与原理说明
  • • 1.1 核心原理
    • 1.2 整体架构流程图
  • 二、硬件选型与接线
  • • 2.1 核心硬件清单
    • 2.2 详细接线说明
    • • （1）STM32与L298N驱动模块接线
      • （2）L298N与车窗电机接线
      • （3）霍尔传感器与STM32接线
      • （4）雨滴传感器与STM32接线
  • 三、软件开发环境搭建
  • • 3.1 环境准备
    • 3.2 STM32CubeMX初始化配置步骤
    • • 步骤1：新建工程
      • 步骤2：配置RCC时钟
      • 步骤3：配置GPIO引脚
      • 步骤4：配置ADC
      • 步骤5：配置定时器
      • 步骤6：生成代码
  • 四、核心代码编写
  • • 4.1 头文件与全局变量定义（main.h）
    • 4.2 外设初始化代码（main.c）
    • 4.3 核心功能函数（main.c续）
  • 五、代码烧录与调试
  • • 5.1 代码编译与烧录
    • 5.2 硬件调试步骤
    • • 步骤1：电源调试
      • 步骤2：雨滴传感器调试
      • 步骤3：霍尔传感器调试
      • 步骤4：防夹功能调试
    • 5.3 常见问题与解决
  • 六、功能扩展建议
  • 总结

一、方案整体设计与原理说明

你需要实现的是基于STM32的汽车车窗控制系统，核心包含两大功能：车窗自动防夹和雨滴感应自动关窗。本方案以STM32F103C8T6最小系统板为核心控制器，通过霍尔传感器检测车窗电机转速实现防夹判断，通过雨滴传感器检测雨量触发自动关窗，同时配合直流电机驱动模块控制车窗升降，全程采用模块化编程思路，确保零基础小白也能一步步落地实现。

1.1 核心原理

• 自动防夹原理：车窗升降过程中，霍尔传感器实时采集电机转动的脉冲信号，当车窗遇到障碍物时，电机转速骤降，脉冲频率低于设定阈值，控制器立即反转电机，实现防夹保护。
• 雨滴感应原理：雨滴传感器通过检测玻璃表面的湿度变化输出模拟电压信号，STM32的ADC采集该信号，当电压低于设定阈值（检测到雨滴），控制器触发车窗自动关闭流程。
• 硬件控制逻辑：STM32通过GPIO口控制L298N电机驱动模块，实现车窗电机的正转（升窗）、反转（降窗）、停止；通过外部中断或定时器捕获霍尔传感器脉冲；通过ADC通道采集雨滴传感器信号。

1.2 整体架构流程图

以下是系统整体工作流程的Mermaid流程图，采用深色底、白色字体，排版美观且逻辑清晰：

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是

否

是

否

是

否

是

否

是

否

系统上电初始化

GPIO/ADC/定时器配置

读取雨滴传感器信号

检测到雨滴?

触发自动关窗指令

检测车窗控制指令

升窗指令?

控制电机正转升窗

降窗指令?

控制电机反转降窗

霍尔传感器采集脉冲

脉冲频率低于阈值?

立即停止电机+反转0.5秒

车窗到位?

停止电机

二、硬件选型与接线

2.1 核心硬件清单

2.2 详细接线说明

（1）STM32与L298N驱动模块接线

（2）L298N与车窗电机接线

（3）霍尔传感器与STM32接线

（4）雨滴传感器与STM32接线

三、软件开发环境搭建

3.1 环境准备

3.2 STM32CubeMX初始化配置步骤

步骤1：新建工程

• 打开STM32CubeMX，点击“New Project”，搜索“STM32F103C8T6”，选择对应型号后点击“Start Project”。
• 弹出的“Project Manager”界面中，暂不修改，点击“OK”。

步骤2：配置RCC时钟

• 左侧菜单栏选择“RCC”，在“High Speed Clock (HSE)”中选择“Crystal/Ceramic Resonator”（外部晶振）。
• 点击顶部“Clock Configuration”，将系统时钟配置为72MHz（HSE=8MHz，PLL倍频9倍）。

步骤3：配置GPIO引脚

• 左侧菜单栏选择“GPIO”：
  • PB0：设置为“Output Push Pull”（推挽输出），命名为“IN1”；
  • PB1：设置为“Output Push Pull”（推挽输出），命名为“IN2”；
  • PB2：设置为“Alternate Function Push Pull”（复用推挽输出），用于PWM输出，命名为“ENA”；
  • 其余GPIO默认配置。

步骤4：配置ADC

• 左侧菜单栏选择“ADC1”：
  • 模式选择“Independent Mode”（独立模式）；
  • 通道配置：PA1设置为“IN1”，采样时间选择“239.5 Cycles”（提高采样精度）；
  • 开启ADC连续转换模式。

步骤5：配置定时器

• 左侧菜单栏选择“TIM2”：
  • 模式选择“Counter Mode”为“Up Counter”；
  • 预分频器（Prescaler）设置为71（系统时钟72MHz，分频后1MHz）；
  • 自动重装值（ARR）设置为65535；
  • 通道1（PA0）设置为“Input Capture direct mode”（输入捕获模式），用于捕获霍尔传感器脉冲。

步骤6：生成代码

• 点击顶部“Project Manager”：
  • 设置项目名称（如“Window_Control_System”）；
  • 选择项目路径（非中文路径）；
  • 工具链/IDE选择“MDK-ARM”，版本选择“V5”；
  • 点击“Code Generator”，勾选“Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral”；
  • 点击“Generate Code”，生成初始化代码后用Keil MDK打开。

四、核心代码编写

4.1 头文件与全局变量定义（main.h）

#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H

#include "stm32f1xx_hal.h"

/* 引脚定义 */
#define IN1_PIN GPIO_PIN_0
#define IN1_GPIO_PORT GPIOB
#define IN2_PIN GPIO_PIN_1
#define IN2_GPIO_PORT GPIOB
#define ENA_PIN GPIO_PIN_2
#define ENA_GPIO_PORT GPIOB

/* 阈值定义 */
#define RAIN_THRESHOLD 1500 // 雨滴传感器阈值（ADC值，越小雨量越大）
#define PULSE_THRESHOLD 50 // 防夹脉冲频率阈值（Hz）
#define WINDOW_POSITION_PULSE 200 // 车窗到位脉冲数

/* 全局变量 */
extern uint32_t hall_pulse_count; // 霍尔脉冲计数
extern uint32_t pulse_frequency; // 脉冲频率
extern uint16_t rain_adc_value; // 雨滴传感器ADC值
extern uint8_t window_status; // 车窗状态：0-停止，1-升窗，2-降窗

/* 函数声明 */
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
void Motor_Control(uint8_t cmd); // 电机控制函数
void Hall_Pulse_Capture(void); // 霍尔脉冲捕获处理
void Rain_Detect(void); // 雨滴检测函数
void Anti_Pinch_Check(void); // 防夹检测函数

#endif /* __MAIN_H */

4.2 外设初始化代码（main.c）

#include "main.h"

/* 全局变量定义 */
uint32_t hall_pulse_count = 0;
uint32_t pulse_frequency = 0;
uint16_t rain_adc_value = 0;
uint8_t window_status = 0;

/* TIM2句柄 */
TIM_HandleTypeDef htim2;
/* ADC句柄 */
ADC_HandleTypeDef hadc1;

/* 系统时钟配置 */
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

/* 配置外部晶振HSE */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 配置系统时钟 */
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC;
PeriphClkInit.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6;
if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

/* ADC1初始化 */
static void MX_ADC1_Init(void)
{
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

/* ADC基础配置 */
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换模式
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 配置ADC通道1（PA1） */
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 启动ADC转换 */
HAL_ADC_Start(&hadc1);
}

/* TIM2初始化（输入捕获） */
static void MX_TIM2_Init(void)
{
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71; // 分频后1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 65535;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
if (HAL_TIM_IC_Init(&htim2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 配置TIM2通道1为输入捕获 */
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfigIC.ICFilter = 0;
if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 启动输入捕获中断 */
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* 开启TIM2中断 */
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0);
}

/* GPIO初始化 */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

/* 使能GPIO时钟 */
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

/* 配置IN1(PB0)、IN2(PB1)为输出 */
GPIO_InitStruct.Pin = IN1_PIN|IN2_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* 配置ENA(PB2)为复用输出（PWM） */
GPIO_InitStruct.Pin = ENA_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(ENA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

/* 初始状态：电机停止 */
HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

/* 错误处理函数 */
void Error_Handler(void)
{
__disable_irq();
while (1)
{
// 出错时可添加LED闪烁提示
}
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

4.3 核心功能函数（main.c续）

/* 电机控制函数：cmd=0-停止，1-升窗（正转），2-降窗（反转） */
void Motor_Control(uint8_t cmd)
{
switch(cmd)
{
case 0: // 停止
HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
window_status = 0;
break;
case 1: // 升窗
HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
// 配置TIM2通道2为PWM输出（ENA引脚），占空比80%
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 4000; // 占空比=4000/5000=80%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
window_status = 1;
break;
case 2: // 降窗
HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_SET);
// 配置PWM占空比80%
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC2 = {0};
sConfigOC2.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC2.Pulse = 4000;
sConfigOC2.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC2.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC2, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
window_status = 2;
break;
default:
Motor_Control(0);
break;
}
}

/* 霍尔脉冲捕获中断处理函数 */
void TIM2_IRQHandler(void)
{
HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
}

/* 输入捕获回调函数 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
static uint32_t last_capture_time = 0;
uint32_t current_capture_time = 0;

if(htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
// 获取当前捕获值
current_capture_time = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 计算脉冲周期，转换为频率（Hz）
if(current_capture_time > last_capture_time)
{
pulse_frequency = 1000000 / (current_capture_time – last_capture_time);
}
last_capture_time = current_capture_time;
hall_pulse_count++; // 脉冲计数+1
}
}

/* 雨滴检测函数：读取ADC值并判断 */
void Rain_Detect(void)
{
// 读取ADC转换值
if(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
{
rain_adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

// 检测到雨滴，触发自动关窗
if(rain_adc_value < RAIN_THRESHOLD && window_status != 1)
{
Motor_Control(1); // 启动升窗
}
}

/* 防夹检测函数：判断脉冲频率是否低于阈值 */
void Anti_Pinch_Check(void)
{
// 仅在升窗/降窗时检测
if(window_status == 1 || window_status == 2)
{
// 脉冲频率低于阈值，触发防夹
if(pulse_frequency < PULSE_THRESHOLD)
{
Motor_Control(0); // 停止电机
HAL_Delay(100); // 延时100ms
Motor_Control(2); // 反转降窗0.5秒
HAL_Delay(500);
Motor_Control(0); // 停止电机
hall_pulse_count = 0; // 重置脉冲计数
}

// 车窗到位（脉冲数达到阈值）
if(hall_pulse_count >= WINDOW_POSITION_PULSE)
{
Motor_Control(0); // 停止电机
hall_pulse_count = 0; // 重置脉冲计数
}
}
}

/* 主函数 */
int main(void)
{
/* 初始化HAL库 */
HAL_Init();

/* 配置系统时钟 */
SystemClock_Config();

/* 初始化外设 */
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM2_Init();

/* 主循环 */
while (1)
{
Rain_Detect(); // 雨滴检测
Anti_Pinch_Check(); // 防夹检测
HAL_Delay(10); // 主循环延时10ms，降低CPU占用
}
}

五、代码烧录与调试

5.1 代码编译与烧录

5.2 硬件调试步骤

步骤1：电源调试

• 给STM32供电（5V），给L298N驱动模块供电（12V），确保所有硬件通电后无发烫、短路现象。
• 测量STM32引脚输出：未触发指令时，PB0、PB1应为低电平，ENA引脚无PWM输出。

步骤2：雨滴传感器调试

• 用喷壶向雨滴传感器喷水，观察STM32的PA1引脚ADC值变化（可通过串口打印，需添加串口代码），正常情况下ADC值应随雨量增大而减小。
• 当ADC值低于RAIN_THRESHOLD时，应触发车窗升窗动作。

步骤3：霍尔传感器调试

• 手动转动车窗电机，观察PA0引脚是否有脉冲信号输出（可用示波器或逻辑分析仪检测），同时查看hall_pulse_count变量是否递增。
• 正常情况下，电机转速越快，pulse_frequency值越大。

步骤4：防夹功能调试

• 启动升窗指令，在车窗升降过程中用手阻挡车窗，观察电机是否立即停止并反转0.5秒，验证防夹功能是否生效。
• 若防夹不生效，可调整PULSE_THRESHOLD阈值（根据实际电机转速调整）。

5.3 常见问题与解决

六、功能扩展建议

总结