用一个反射式光电传感器，模拟"闯红灯"检测——STM32 物联网实验

一、写在前面

这学期的物联网实验课上，我们拿到了一个小小的传感器模块——反射式光电传感器。老师给它安排的实验是：模拟"闯红灯"检测。

听起来好像很高大上，其实原理并不复杂：把传感器埋在"停止线"的位置，当有小车模型从它面前经过（相当于车辆越过停止线），传感器检测到遮挡，主控板就触发蜂鸣器报警，LCD 上显示"有遮挡"，以此模拟一辆车在红灯时闯了过去。

这篇博客记录一下我做这个实验的完整过程。

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二、反射式光电传感器是怎么工作的？

这个传感器（ST118，漫反射型）内部其实就两个核心元件：

• 红外发射管：持续向外发射红外光
• 接收管（光敏三极管）：接收被物体反射回来的红外光

工作过程是这样的：

        红外光
  发射管 ──────►  物体（小车）
      ▲              │
      │              │ 反射
      │              ▼
      └────────  接收管

• 没有物体时：红外光射出去没有东西反射回来，接收管收不到光，输出一个电平（本模块约定为 高电平 1，表示"无遮挡"）。
• 有物体经过时：红外光被物体表面反射回来，接收管接收到光后导通，输出电平跳变（低电平 0，表示"有遮挡"）。

一句话总结：靠"有没有反射光"来判断前面有没有东西。

它和"对射式"光电传感器的区别在于：对射式是发射和接收分开放在两边，靠遮挡光路来检测；而反射式是发射接收做在一起，靠反射光来检测，安装更方便，适合做"有没有东西经过"这种检测。

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三、硬件连接

实验用的是 STM32开发板，主控是 STM32L431VCT6。传感器信号脚接到 PD14，配置为 GPIO 输入模式。

整体连接关系如下：

模块	引脚/接口	作用
反射式光电传感器 ST118	PD14（GPIO 输入）	检测物体遮挡，输出数字电平
TFT-LCD 彩屏	SPI 接口	显示实验标题和"有/无遮挡"状态
有源蜂鸣器	PE8	有遮挡时报警
LED1	PA4	每秒翻转，作为运行指示
串口 UART2	115200 波特率	向上位机打印传感器状态

系统拓扑大概是：传感器把电平信号送给 STM32，STM32 每 1 秒轮询一次，然后根据结果驱动 LCD、蜂鸣器、LED，并通过串口输出数据。

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四、代码实现

工程用 STM32 HAL 库开发，结构很清晰，主要分三层：

• main.c：系统初始化 + 主循环
• st118.c：传感器驱动（GPIO 初始化 + 状态读取）
• handle.c：业务逻辑（检测、显示、报警、串口输出）

4.1 主函数：初始化 + 死循环

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    LCD_Display_Init();            // 屏幕初始化显示
    gpio_module_open(BEEP|LEDS);   // 打开蜂鸣器、LED
    uart_open(uart2, 115200);      // 串口初始化

    ST118_Init();                  // 初始化反射式光电传感器
    while(1)
    {
        ST118_Handle();            // 检测反射式光电传感器并显示
    }
}

主函数做的事情很标准：时钟、屏幕、蜂鸣器/LED、串口、传感器依次初始化，然后在 while(1) 里反复调用 ST118_Handle() 做检测。

4.2 传感器驱动：读一个 GPIO 电平

void ST118_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    ST118_Port_Clk_Enable;              // 使能 GPIOD 时钟
    GPIO_InitStruct.Pin = ST118_Pin;    // PD14
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;   // 输入模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST118_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}

uint8_t ST118_Read_State(void)
{
    // 返回传感器状态：1=无遮挡，0=有遮挡
    return HAL_GPIO_ReadPin(ST118_GPIO_Port, ST118_Pin);
}

驱动非常简单，就是把 PD14 配成输入，然后用 HAL_GPIO_ReadPin 读电平。返回值的约定写在注释里：1 表示无遮挡，0 表示有遮挡。

4.3 业务逻辑：1 秒轮询 + 多外设响应

这是整个实验的核心：

void ST118_Handle(void)
{
    uint8_t st118_state = 0;
    static uint8_t st118_state_rev = 2;
    static uint32_t tickstart;

    if((HAL_GetTick() - tickstart) >= 1000)   // 1000ms 检测一次
    {
        tickstart = HAL_GetTick();
        st118_state = ST118_Read_State();

        if(st118_state == 1)         // 有遮挡
        {
            LCD_draw_bmp(96,120,48,gImage_guangdian);
            Show_Str(96,178,BLUE,WHITE,"有遮挡",16,1);  // 显示有遮挡
            beep_open();             // 蜂鸣器报警
        }
        else if(st118_state == 0)    // 无遮挡
        {
            LCD_draw_bmp(96,120,48,gImage_guangdianhui);
            Show_Str(96,178,BLUE,WHITE,"无遮挡",16,1);  // 显示无遮挡
            beep_close();            // 关闭蜂鸣器
        }

        if(st118_state != st118_state_rev)   // 状态变化时串口打印
        {
            printf("** 读取反射式光电传感器数据\r\n");
            printf("** st118_state:%d\r\n", st118_state);
            st118_state_rev = st118_state;
        }
        led_toggle(LED1_PORT);       // LED1 翻转指示
    }
}

几个设计细节值得说一下：

1. 用 HAL_GetTick() 做 1 秒定时轮询，而不是 HAL_Delay() 死等。这样主循环虽然一直在跑，但只有到 1 秒才真正做一次检测，不浪费 CPU，也方便以后加别的任务。
2. 状态变化才打印串口。用一个静态变量 st118_state_rev 记录上一次的状态，只有和上次不一样时才 printf，避免串口被刷屏。
3. LED1 每秒翻转一次，不管传感器状态如何，作为"程序在正常运行"的心跳指示。

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五、实验现象

编译下载到开发板后，上电看到的现象：

1. 启动：LCD 显示"反射式光电检测实验（车胤）"标题和检测图标，串口打印实验提示信息。
2. 无遮挡：传感器前方没有东西时，LCD 显示"无遮挡"，蜂鸣器不响，LED1 每秒闪一下。
3. 有遮挡（模拟闯红灯）：用手或小车模型从传感器正前方划过，LCD 立刻变成"有遮挡"，蜂鸣器"嘀——"地响起来，模拟检测到车辆违章通过。
4. 移开物体：恢复"无遮挡"，蜂鸣器停止。
5. 串口输出：每次状态变化，串口会打印类似下面的内容：

     反射式光电传感器数据检测实验
------------------------------
开始实验：

** 反射式光电传感器初始化
** 读取反射式光电传感器数据
** st118_state:0

** 读取反射式光电传感器数据
** st118_state:1

整体跑下来，"传感器感知 → 主控判断 → LCD/蜂鸣器/LED 响应"这条链路是通的，闯红灯的模拟效果也出来了。

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六、踩坑记录：电平极性那点事

做这个实验的时候，我踩了一个不大不小的坑，值得记一下。

传感器驱动的注释里写得很清楚：

返回值：1 = 没有物体遮挡，0 = 有物体遮挡

但业务逻辑 ST118_Handle() 里的判断是：

if(st118_state == 1)         // 有遮挡
{
    Show_Str(...,"有遮挡",...);
    beep_open();
}
else if(st118_state == 0)    // 无遮挡
{
    Show_Str(...,"无遮挡",...);
    beep_close();
}

你看，代码里 state == 1 被当成了"有遮挡"，和驱动注释的约定正好相反。

实际烧录后，如果发现"手挡上去显示无遮挡、拿开反而显示有遮挡"，那就是电平极性反了。解决办法有两种：

• 软件取反：在判断条件里把 1 和 0 的分支对调，或者读的时候 !ST118_Read_State()。
• 硬件确认：查模块数据手册，看这个批次的模块到底是高电平有效还是低电平有效，有些模块板载比较器的输出极性可能和注释不一致。

这个坑让我意识到：嵌入式开发里，"注释说的"和"实际测的"不一定一致，一切以实测为准。 拿到一个新模块，先用万用表或串口打一下原始电平，确认极性再写逻辑，能省不少调试时间。

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七、还能怎么玩？（扩展思考）

这个实验只是最基础的"检测到遮挡就报警"，如果往真实的闯红灯检测系统靠，还有很多可以扩展的方向：

1. 联动交通信号灯：现在的代码不管红灯绿灯，只要有车过就报警。真实场景应该加一个信号灯状态，只有红灯期间检测到车辆通过才判定为闯红灯，绿灯正常通行不报警。
2. 双传感器测速 + 方向判断：沿道路方向放两个传感器，根据车辆先后遮挡的时间差可以算车速，还能判断行驶方向，比单传感器信息丰富得多。
3. 数据上云：开发板上带了 BC35G NB-IoT 模块，可以把违章记录（时间、车道、状态）传到云端，做远程监管和统计。
4. 图像取证：加个摄像头，闯红灯时抓拍一张，存上时间戳，形成完整的违章证据链。
5. 多传感器融合：反射式光电 + 地磁 + 超声波组合用，复杂环境下检测更可靠，抗干扰能力更强。

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八、总结

这次实验虽然小，但把物联网最基本的一条链路完整走了一遍：

传感器感知 → 主控处理 → 执行器响应 → 数据输出

具体收获：

• 搞懂了反射式光电传感器"发射—反射—接收"的工作原理；
• 练熟了 STM32 HAL 库下 GPIO 输入模式的配置和 HAL_GPIO_ReadPin 读取；
• 学会了用 HAL_GetTick() 做非阻塞定时轮询，以及"状态变化才输出"的简单去抖/降频思路；
• 踩了电平极性的坑，记住了"以实测为准"这条嵌入式铁律。

一个几块钱的小传感器，加上几十行代码，就能模拟出一个交通违章检测的雏形——这大概就是物联网实验的乐趣吧。

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