STM32F407 智能定时用电控制器：四状态机 + 1ms 分时调度

STM32F407 智能定时用电控制器实战——四状态机互斥保护、SysTick 1ms 分时任务调度、寄存器级 USART 驱动、数码管动态扫描、20ms 按键消抖与温度失效保护。

发布 DATE: 2026.09.29
字数 WORDS: 1,171
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倒计时控制继电器通断负载，听起来简单，做扎实却不容易。这个项目基于 STM32F407VE，用一套 1ms 分时任务调度把倒计时、数码管扫描、按键消抖、串口解析、蜂鸣器节奏和温度保护全部塞进裸机主循环，从未使用中断——时序可推演、行为可预测。

功能全景

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按键 + 串口双通道设置 → 四位数码管 MM.SS 实时显示 → 启动后继电器吸合
→ 每秒短鸣 + LED 快闪 → 倒计时归零报警（蜂鸣器周期鸣叫）→ 一键停止/复位

四状态机设计

状态	行为
设置	可调整时间；继电器断开 / LED 熄灭 / 蜂鸣器静音
运行	每秒倒计时递减；继电器吸合 / LED 快闪 / 每秒短鸣
暂停	倒计时冻结；继电器断开 / LED 熄灭 / 蜂鸣器静音
报警	时间到；继电器断开 / LED 闪烁 / 周期鸣叫，K4/K5/`B` 停止

状态边界清晰：仅 run 递减且继电器吸合，set/pause 每周期强制复位输出，alarm 仅响应停止键——把状态误操作在逻辑层面清零。上电默认进入设置状态、默认 60 秒，倒计时归零自动断开继电器，防止负载超时运行。

1ms 分时调度

app_timer_1ms_task()                                [SysTick 每 1ms 触发]
  ├── system_ms++                                   系统毫秒计数
  ├── 每 100ms → temperature_control_safe_task()    温度保护复查
  ├── display_scan()                                数码管扫描一位（4ms 一轮）
  ├── key_scan() → key_process()                    按键采样（20ms 消抖）
  ├── usart_receive_check() → usart_process()       串口轮询与命令解析
  ├── 每 1000ms → run 状态倒计时递减
  ├── run_beep_task() / alarm_beep_task()           蜂鸣器节奏调度
  ├── LED 翻转调度（run 40ms / alarm 120ms）
  └── display_update_buffer()                       刷新显示缓存

单一 1ms 心跳分频出 100ms 和 1000ms 多级节拍，全程无阻塞延时。

关键技术点

寄存器级串口驱动

USART1（PA9/PA10，AF7）直接操作 MODER/OTYPER/AFR/BRR 寄存器完成初始化；波特率用分数分频公式计算，fraction 带四舍五入与满 16 进位修正，84MHz → 9600bps 精确得到 BRR = 0x222E；收发查询 TXE/RXNE 标志，不占中断资源。

硬件 PWM 蜂鸣器

TIM4_CH1（PD12）1MHz 时基 + PWM1 模式：频率 = 1MHz/ARR 控制音调（100Hz~10kHz 越界钳位），占空比控制音量。变调时对比较值做防溢出钳位，切换平滑。

数码管动态扫描

共阴极四位管：PB8~~PB15 段选、PC0~~PC3 位选，1ms 点亮一位、4ms 刷新一轮。扫描流程”先消隐后输出”，杜绝换位瞬间的”鬼影”。

20ms 按键消抖

5 键逐 1ms 采样，电平连续稳定 20 个周期才确认；仅在稳定键值”变化”时上报一次（边沿触发），长按零重复。

时间边界防溢出

+1min 上限 98:00、+10s 上限 99:49、-10s 下限 00:10 的钳位设计，杜绝 uint16 溢出与两位数显示越界。

温度失效保护

TIM3_CH1/PB4 温度闭环输出强制关闭：停计数 → 关通道 → CCR1 清零 → 引脚拉低。上电立即执行，运行中每 100ms 复查，保证任何状态下都不会误动作。

串口命令协议（9600 8N1）

命令	功能
`S`	启动 / 暂停（与 K3 同一入口）
`R`	复位
`Q`	查询状态：`time=01:30 set, relay off, temp safe`
`M` / `T` / `A`	+1 分钟 / +10 秒 / -10 秒
`B`	停止报警
`Dmmss`	设置时间，如 `D0130` = 01:30

串口命令复用按键处理函数，按键与串口行为完全一致，消除双通路逻辑分叉。非法输入（秒 ≥ 60、零时长、运行中设置）逐项拒绝并回执原因。

蜂鸣器与 LED 提示编码

事件	蜂鸣器	LED
启动 / 每秒递减	短鸣 120ms @ 2700Hz	40ms 周期翻转
倒计时归零报警	120ms 鸣 / 120ms 停 @ 4200Hz	120ms 周期翻转
设置 / 暂停	静音	熄灭

零硬件成本，靠节奏编码提升状态可读性。

工程分层

APL 应用入口层     main.c（初始化 → 1ms 调度循环）
HAL 硬件抽象层     board_config.h（引脚集中定义）
                   ├─ app_timer.c   四状态机 / 倒计时 / 按键与串口处理
                   ├─ tim.c         1MHz 时基 + __weak 回调框架
                   ├─ bsp_output.c  LED / 蜂鸣器 / 继电器
                   ├─ bsp_display.c 数码管动态扫描
                   ├─ bsp_key.c     按键扫描与消抖
                   ├─ bsp_usart.c   寄存器级收发
                   └─ temp_safe.c   温度失效保护
SPL / CMSIS        ST 官方库（CMSIS V4.2 + SPL V1.5.0）

全工程无中断、无 DMA、无 RTOS，引脚集中定义、Doxygen 全量注释，是裸机任务调度与嵌入式工程化实践的好参考。

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