一、项目简介

这是一个完整的 STM32 智能门禁系统（Smart IDT）。硬件原理图和 PCB 都是自己画的，软件从 CubeMX 配置到驱动代码也都是自己弄的，最后还写了一个pycharm的上位机。
演示视频：

OTA升级演示视频：

整体功能如下：

功能	实现方式	硬件
人脸识别开门	OV7670 抓图 → WiFi 发电脑 → 电脑识别 → 回传结果 → 舵机开门	OV7670 + AL422B（FIFO） + ESP8266
RFID 刷卡开门	RC522 读卡号，白名单比对	RC522（SPI）
OTA 远程升级	电脑发固件 → 存 W25Q → 重启由 Bootloader 搬运	ESP8266 + W25Q + Bootloader
时间同步 + 实时时钟	设备问电脑要时间，RTC 用纽扣电池掉电走时	RTC + LSE + ML621纽扣电池
本地交互	1.8寸屏 + 旋钮 + 四键 + 语音	ST7735 + 旋钮/按键 + SU-03T

文章会按「先硬后软」的顺序讲：先讲原理图和 PCB 是怎么设计的，再讲 CubeMX 配置，最后讲每一块驱动代码和上位机。

二、硬件设计（原理图 + PCB）

这一节把硬件从头到尾讲清楚。所有器件、网络、电源结构都来自实际打样验证过的原理图。

2.1 整体架构

系统的核心是一块 **STM32F401 核心板和各个外设模块。整体框图：

原理图：

2.2 完整元件清单（BOM）

这是导出的完整器件表：

位号	器件型号	封装/规格	作用
U1	STM32F401RCT6开发板	40 脚排针	主控
U2	AMS1117-3.3	SOT-223	外设 3.3V 稳压（1A）
U3	ML621-TZ1	纽扣电池 3V 5.8mAh	RTC/VBAT （可充电）
USB1	TYPE-C 16PIN 母座	插件	仅供电（CC 5.1k 下拉）
U4	ST7735S 1.8" LCD	8P 模块	SPI 彩屏
U5	OV7670 + AL422B FIFO	18P 模块	摄像头
U6	SU-03T	18P 模块	语音（内置功放）
U7/U8	PH2.0 母座	2P	喇叭 / 麦克风接口
U9	W25Q	6P 模块	16MB SPI Flash
U10	RC522	8P 模块	13.56MHz RFID
H1	ESP8266（ESP-01）	2x4P 排母	WiFi 模块
U11	旋钮（电位器）	3P	ADC 模拟输入
U12	红色 LED	1206	充电/电源指示
U13~U16	6×6×7.5 轻触开关	4 个	上/下/返回/确认 四键
U17	PH2.54 4P	直插	SU-03T 串口烧录口
U18	PH2.54 3P	直插	SG90 舵机接口
SW1/SW2	SS12D10G3 拨动开关	2 个	电源总开关 / 充电使能
D2	1N5819 肖特基	40V 1A	纽扣电池充电防倒灌
R1/R2	5.1kΩ	0805	Type-C CC1/CC2 下拉
C1	10uF	0805	稳压输入滤波
C3	22uF 钽	16V	稳压输出滤波
C2/C4/C5/C6/C7	100nF	0805	去耦
R3	330Ω	0805	充电限流
R4	10kΩ + C6(100nF)	0805	LCD 复位 RC 电路
R5	10kΩ	0805	旋钮/按键上拉
R6~R9	1k/2.2k/4.7k/10kΩ	0805	按键梯形电阻
R10	1kΩ	0805	LED 限流

2.3 电源系统设计（重点）

这是整个硬件里最有含金量的部分，讲清楚「为什么这样供电」。

2.3.1 主供电链

• Type-C 母座只用来供电（D+/D- 没接，CC 脚各接 5.1k 下拉识别为从设备）。
• SW1 是电源总开关，拨到关就切断整板供电。

2.3.2 两路独立的 3.3V

板上有两路 3.3V，由于负载的模块较多，所以除开发板外的模块单独使用LDO供电，防止stm32开发板过载：

网络	来源	供谁	电流
E3V3	U2 AMS1117-3.3	LCD / 摄像头 / W25Q / RC522 / ESP8266 / 充电	大电流外设
3V3	核心板板载 LDO	仅旋钮上拉 R5 + 旋钮 U11	~0.7mA

注意事项： 旋钮是「比例式测量」：ADC 的参考电压（VREF）和旋钮分压源必须同轨。如果把旋钮分压接在 AMS1117 的 E3V3 上、而 ADC 参考是核心板自己的 3V3，两者电压有细微差异，旋钮读数就会漂。所以单独引核心板的 3V3 出来，只给旋钮和它的上拉电阻供电，让「分压源」和「ADC 参考」是同一个电压。

2.3.3 纽扣电池备份 + 充电

• U3（ML621）是 3V 可充电纽扣电池，容量 5.8mAh。
• 它通过 VB 网络接到核心板的 VBAT 脚，给 RTC 备份域和 32.768kHz 晶振供电，实现「掉电时间不丢、继续走时」。
• D2（1N5819 肖特基）串在充电回路上，防止电池电流倒灌回 E3V3；SW2 是充电使能开关。

E3V3 ──R3(330Ω)──┬── SW2 ── D2(1N5819) ──┬── VB → 核心板 VBAT
                 │                       │
                 └──────────────────── ──┴── U3 ML621（纽扣电池）

2.4 主控核心板（U1）

用STM32F401 核心板，40 脚排针引出。几个和普通开发板不同的注意点：

• 板载 32.768kHz LSE 晶振（接 PC14/PC15），给 RTC 用，这两个脚不能当 GPIO。

• 核心板 5V 脚由外部 5V 网络供电，核心板自己再板载 LDO 出 3V3。

2.5 摄像头模块（U5）

OV7670 后面挂了一块 AL422B FIFO（3Mb 帧缓存），好处是：摄像头输出一整帧先存进 FIFO，MCU 可以慢慢读，不用追着摄像头的像素时钟（PCLK）跑，对单片机友好。

• 数据线 D0~D7 接 PA0~PA7（连续 8 位，可一次读 GPIOA 低 8 位）；
• SCCB（配置寄存器）走 I2C1，PB6/PB7；
• FIFO 控制 5 根线：RCLK(读时钟) OE(输出使能) WRST(写复位) RRST(读复位) WEN(写允许)；
• VSYNC(帧同步) 接 PB14，用外部中断界定一帧的开始和结束。

2.6 显示模块（U4）

ST7735S 1.8 寸彩屏，SPI 接口，160×128 横屏使用（RGB565）。复位脚不走 GPIO，用硬件 RC（R4=10k + C6=100nF）上电自动复位，软件用 SWRESET 兜底。

2.7 存储（U9）与 RFID（U10）

• W25Q：16MB SPI Flash，三件事——暂存 OTA 固件、暂存人脸图像、镜像时间。
• RC522：13.56MHz RFID，SPI 接口，RST 常接 3.3V 使能。

重要：屏幕、W25Q、RC522 共用同一个 SPI1（PB3/PB4/PB5），只有片选不同。SPI1 跑 21MHz 给屏幕和 W25Q，但 RC522 上限只有 10MHz，所以代码访问 RC522 前要把分频临时降到 5.25MHz，用完再切回。

2.8 WiFi（H1）与语音（U6）

• ESP8266（ESP-01）：USART1（PA9/PA10），115200，AT 指令连 WiFi、连 TCP。
• SU-03T 语音：USART6（PA11/PA12），9600，内置功放，直接接喇叭和麦克风；U17 是它的串口烧录口。

2.9 舵机（U18）

SG90 舵机，PWM 50Hz 控制角度，接口 U18（GND/5V/PWM），PWM 接 PA15（TIM2_CH1）。舵机是 5V 供电，直接从 5V 网络取电。

2.10 人机交互（U11/U13~U16/U12）

• 旋钮 U11：电位器，接 PB0（ADC_IN8），配合 R5 上拉，分压输出 0~3.3V，读 ADC 就是 0~100。
• 四按键 U13~U16：梯形电阻接法，四键共用一个 ADC 脚 PB1（ADC_IN9），按下不同键分压不同：

物理位置（左→右）	功能	分压电阻	按下电压
键4	上	R9=10kΩ	1.65V
键3	下	R8=4.7kΩ	1.06V
键2	返回	R7=2.2kΩ	0.60V
键1	确认(OK)	R6=1kΩ	0.30V

• LED U12：红色，R10 限流，做充电/电源指示。

2.11 引脚分配总表

核心板脚	网络	外设	方向/复用
PA0~PA7	PA0~PA7	OV7670 D0~D7	GPIO 输入
PA8	PA8	LCD CS	GPIO 输出
PA9/PA10	PA9/PA10	ESP8266 TX/RX	USART1
PA11/PA12	PA11/PA12	SU-03T TX/RX	USART6
PA15	PA15	舵机 PWM	TIM2_CH1
PB0	PB0	旋钮	ADC1_IN8
PB1	PB1	四按键	ADC1_IN9
PB2	PB2	LCD DC	GPIO 输出
PB3/PB4/PB5	PB3/PB4/PB5	SPI1 SCK/MISO/MOSI	SPI1
PB6/PB7	PB6/PB7	OV7670 SCCB	I2C1
PB8~PB13	PB8~PB13	摄像头 FIFO 控制	GPIO 输出
PB14	PB14	摄像头 VSYNC	EXTI14
PB15	PB15	W25Q CS	GPIO 输出
PC13	PC13	RC522 CS（与 LED 共用）	GPIO 输出
PC14/PC15	—	LSE 晶振	RTC
VB	VB	纽扣电池备份	VBAT

2.12 硬件设计要点小结

1. 两路 3.3V 不并联：E3V3 供大电流外设，3V3 只供旋钮分压，保证 ADC 比例式测量准确。
2. 纽扣电池用可充电的 ML621，经肖特基 D2 防倒灌，SW2 控制充电。
3. 三个 SPI 设备共用一根 SPI1，靠片选区分，RC522 需降频。

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三、STM32CubeMX 配置

硬件搭好后，开始配软件。

3.1 新建工程

1. 打开 STM32CubeMX，选 STM32F401RCT6。
2. System Core → SYS：Debug 选 Serial Wire（保留 SWD 下载）；Timebase Source 选 TIM4（把 HAL 的 1ms 时基从 SysTick 挪到 TIM4，避免和 FreeRTOS 的 SysTick 冲突）。

3.2 时钟配置（RCC）

本项目不用外部高速晶振（HSE 没接，用 HSI），系统时钟走 HSI → PLL → 84MHz：

• RCC → 使能 HSI，HSE 不使能；
• PLL：PLLM=8、PLLN=84、PLLP=2 → SYSCLK=84MHz，APB1=42MHz，APB2=84MHz；
• 同时使能 LSE（32.768kHz 晶振） 给 RTC 用（自动占用 PC14/PC15）。

3.3 SPI1（屏幕 / W25Q / RC522 共用）

Connectivity → SPI1：

• Mode：Full-Duplex Master；
• 分频 BaudRatePrescaler=4（21MHz，给屏幕和 W25Q）；
• 8bit，Mode 0（CPOL=0/CPHA=0），软件 NSS；
• 引脚 PB3=SCK、PB4=MISO、PB5=MOSI。

3.4 I2C1（摄像头 SCCB）

标准 I2C，100kHz，PB6=SCL、PB7=SDA。OV7670 用 I2C 协议（SCCB 兼容）写寄存器。

3.5 ADC1 + DMA（旋钮 + 按键）

• ADC1 → 使能 IN8（PB0）和 IN9（PB1）；
• Scan Conversion Mode = Enable
• Continuous Conversion Mode = Enable
• Number Of Conversion = 2；
• 采样时间 480 cycles；
• DMA Settings 加 ADC1 的 DMA（DMA2_Stream0，Circular，HalfWord）。

这样 ADC 会不停地把两个通道的值循环存到数组里，主程序直接读数组。

3.6 USART1（ESP8266）+ DMA

• USART1：Asynchronous，PA9=TX、PA10=RX，115200；
• 给 USART1_RX 加 DMA（DMA2_Stream2，Circular，Byte），后台收 ESP8266 数据（避免丢字节的关键）。

3.7 USART6（SU-03T 语音）

USART6：Asynchronous，PA11=TX、PA12=RX，9600。

3.8 TIM2（舵机 PWM）

TIM2 → Channel1 选 PWM Generation CH1：Prescaler=83、Period=19999（50Hz）、Pulse=1500（中位），引脚 PA15。

3.9 GPIO

• PA0~PA7：GPIO_Input（摄像头 D0~D7）；
• PB8/PB9/PB10/PB12/PB13：GPIO_Output（摄像头 RCLK/OE/WRST/RRST/WEN）；
• PB14：GPIO_EXTI14（摄像头 VSYNC 上升沿中断）；
• PB2（LCD DC）、PA8（LCD CS）、PB15（W25Q CS）、PC13（RC522 CS）：GPIO_Output；
• PB0/PB1：ADC_IN8、ADC_IN9。

3.10 NVIC

勾选并使能：DMA2_Stream0_IRQn、DMA2_Stream2_IRQn（优先级 5）、USART1_IRQn（5）、EXTI15_10_IRQn（5）、TIM4_IRQn（15）。

3.11 FreeRTOS

Middleware → FREERTOS：Interface 选 CMSIS_V2，configTOTAL_HEAP_SIZE=20480（20KB），勾选 configUSE_NEWLIB_REENTRANT。

3.12 生成工程 + 加入 LVGL

1. 生成 STM32CubeIDE 工程；
2. 复制 LVGL 到 Middlewares/Third_Party/lvgl，lv_conf.h 放 Core/Inc；
3. 确认关键宏：LV_COLOR_DEPTH 16、LV_TICK_CUSTOM 1 + LV_TICK_CUSTOM_SYS_TIME_EXPR (HAL_GetTick())、LV_MEM_SIZE (16U*1024U)。

工程结构就搭好了。main.c 里的 SystemClock_Config() 就是 HSI→PLL 84MHz。

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四、Bootloader（详细可见往期文章）

本工程用「Bootloader + App」双区实现 OTA：

• Bootloader 在 0x08000000（32KB），App 在 0x08008000（224KB）。
• App 启动第一句 SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x8000; 重定位中断向量表。
• Bootloader 流程（bootloader/bootloader_main.c，纯寄存器、无 HAL）：读 W25Q 的 OTA 标志（0x40000，magic 0xA5A5A5A5）→ 校验 CRC → 擦 App 区（扇区 2~5）→ 从 W25Q 拷贝 → 清标志 → 跳转。

注意：F401 内部 Flash 编程要用 32 位字写（PSIZE=x32），否则向量表写坏、跳转白屏。

烧录顺序：先 ST-Link 烧 bootloader.bin 到 0x08000000，再烧 App 到 0x08008000（或走 OTA）。

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五、工程文件结构

Core/ 下的自写文件：

文件	作用
main.c	入口，初始化所有外设和 RTOS
freertos.c	FreeRTOS 任务创建、互斥锁
ui.c/h	LVGL 界面（动画/菜单/状态页/OTA 确认页）
lv_port_disp.c/h	LVGL 显示驱动对接 ST7735
st7735.c/h	ST7735 屏幕驱动
ov7670.c/h	OV7670 摄像头驱动
w25q128.c/h	W25Q Flash 驱动 + 分区
esp8266.c/h	ESP8266 驱动（AT + DMA 接收）
RC522.c/h	RC522 RFID 驱动
input.c/h	旋钮 + 按键（ADC）
lock.c/h	舵机 + SU-03T 语音收发
rtc.c/h	RTC 时钟（LSE + 纽扣电池）
face_task.c/h	人脸任务 + 后台联网任务
rfid_task.c/h	刷卡任务
ota.c/h	OTA 状态机
ota_task.c/h	OTA 任务

adc.c/dma.c/i2c.c/spi.c/tim.c/usart.c/stm32f4xx_hal_msp.c/stm32f4xx_it.c 等是 CubeMX 生成，一般不改。

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六、RTOS 任务调度

一共 6 个任务（freertos.c 创建）：

任务	入口	栈	职责
defaultTask	StartDefaultTask	512B	开机 5 秒后播报「开始」语音
uiTask	StartUITask	4KB	LVGL 渲染 + 旋钮/按键 + 每秒刷时钟
faceTask	StartFaceTask	2KB	人脸识别
rfidTask	StartRfidTask	2KB	刷卡
otaTask	StartOtaTask	2KB	OTA 下载
netTask	StartNetTask	2KB	后台连 WiFi + 连电脑

defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);
uiTaskHandle = osThreadNew(StartUITask, NULL, &uiTask_attributes);
faceTaskHandle = osThreadNew(StartFaceTask, NULL, &faceTask_attributes);
rfidTaskHandle = osThreadNew(StartRfidTask, NULL, &rfidTask_attributes);
otaTaskHandle  = osThreadNew(StartOtaTask,  NULL, &otaTask_attributes);
netTaskHandle  = osThreadNew(StartNetTask,  NULL, &netTask_attributes);

6.1 任务间通信

1. 事件标志（osThreadFlags）：UI 点菜单唤醒对应任务。

void face_trigger(void)
{
    osThreadFlagsSet(faceTaskHandle, FACE_FLAG);
}

faceTask 平时阻塞等标志：

for (;;)
{
    osThreadFlagsWait(FACE_FLAG, osFlagsWaitAny, osWaitForever);
    /* 收到标志，开始识别 */
}

2. 互斥锁（osMutex）：屏幕/W25Q/RC522 共用 SPI1，访问前加锁。

osMutexId_t spi1_mutexHandle;   // SPI1 锁
osMutexId_t lvgl_mutexHandle;   // LVGL 锁（递归锁）

6.2 UI 任务主循环

void StartUITask(void *argument)
{
    for(;;)
    {
        osMutexAcquire(lvgl_mutexHandle, osWaitForever);
        lv_timer_handler();
        osMutexRelease(lvgl_mutexHandle);
        osDelay(5);

        uint8_t knob = input_get_knob();
        ui_set_knob(knob);

        uint32_t key = input_poll_key();
        if (key) ui_key(key);

        ui_update_net(g_net_state);
        su03_poll();

        static uint32_t last_sec = 0, last_save = 0;
        uint32_t now = HAL_GetTick();
        if (now - last_sec >= 1000) {
            last_sec = now;
            ui_update_time();
            if (now - last_save >= 60000) {
                last_save = now;
                rtc_save_time();
            }
        }
    }
}

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七、屏幕与界面

7.1 ST7735 屏幕驱动

160×128 横屏、RGB565：

#define ST7735_WIDTH  160
#define ST7735_HEIGHT 128
#define ST7735_ROTATION (ST7735_MADCTL_MY | ST7735_MADCTL_MV | ST7735_MADCTL_RGB)

发命令（DC=0）和发数据（DC=1）：

static void ST7735_WriteCommand(uint8_t cmd) {
    HAL_GPIO_WritePin(ST7735_DC_GPIO_Port, ST7735_DC_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&ST7735_SPI_PORT, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
}
void ST7735_WriteData(uint8_t *buff, uint32_t buff_size) {
    HAL_GPIO_WritePin(ST7735_DC_GPIO_Port, ST7735_DC_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_SPI_Transmit(&ST7735_SPI_PORT, buff, buff_size, HAL_MAX_DELAY);
}

7.2 LVGL 显示对接（lv_port_disp.c）

给 LVGL 注册 flush_cb，把「画像素」接到屏幕：

static void flush_cb(lv_disp_drv_t *drv, const lv_area_t *area, lv_color_t *color_p)
{
    uint32_t n = (uint32_t)(area->x2 - area->x1 + 1) * (area->y2 - area->y1 + 1);
    if (spi1_mutexHandle != NULL) osMutexAcquire(spi1_mutexHandle, osWaitForever);
    ST7735_Select();
    ST7735_SetAddressWindow(area->x1, area->y1, area->x2, area->y2);
    ST7735_WriteData((uint8_t *)color_p, n * 2);
    ST7735_Unselect();
    if (spi1_mutexHandle != NULL) osMutexRelease(spi1_mutexHandle);
    lv_disp_flush_ready(drv);
}

7.3 界面（ui.c）

四页：开机动画 → 主菜单 → 状态页 → OTA 确认页。菜单项：

#define ITEM_NUM 4
static const char *ITEM_NAME[ITEM_NUM] = {"Face ID", "RFID Card", "OTA Update", "Time Sync"};

按键分发：

void ui_key(uint32_t key)
{
    ui_lock();
    switch (cur_page) {
    case PAGE_MENU:
        if (key == LV_KEY_UP)            set_focus(focus == 0 ? ITEM_NUM - 1 : focus - 1);
        else if (key == LV_KEY_DOWN)     set_focus((focus + 1) % ITEM_NUM);
        else if (key == LV_KEY_ENTER) {
            if (focus == 0 && face_cb) { face_cb(); }
            if (focus == 1 && rfid_cb) { rfid_cb(); }
            if (focus == 2 && ota_cb)  { ota_cb(); }
            if (focus == 3 && time_sync_cb) { time_sync_cb(); }
        }
        break;
    ...
    }
    ui_unlock();
}

回调在 freertos.c 注册：

ui_set_face_cb(face_trigger);
ui_set_rfid_cb(rfid_trigger);
ui_set_ota_cb(ota_trigger);
ui_set_time_sync_cb(time_sync_trigger);

时钟刷新读 RTC：

void ui_update_time(void)
{
    if (time_lbl == NULL) return;
    char buf[16];
    rtc_get_time_str(buf, sizeof(buf));
    ui_lock();
    lv_label_set_text(time_lbl, buf);
    ui_unlock();
}

---

八、摄像头驱动（ov7670.c）

OV7670 后面带 AL422B FIFO，先存一帧再慢慢读。配寄存器走 SCCB（硬件 I2C1，地址 0x21<<1）；读图像靠 PB8(RCK) 翻转时钟，FIFO 吐字节到 PA0~PA7。

写寄存器：

static void ov7670_write_reg(uint8_t reg, uint8_t val)
{
    HAL_I2C_Mem_Write(&OV7670_I2C, OV7670_ADDR, reg,
                      I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &val, 1, 100);
}

读一个像素（RGB565，直接操作寄存器比 HAL 快）：

static inline uint16_t ov7670_read_pixel(void)
{
    uint16_t c;
    RCK_LOW();  __NOP();
    c = DATA_READ();
    RCK_HIGH(); __NOP();
    RCK_LOW();  __NOP();
    c = (uint16_t)(c << 8) | DATA_READ();
    RCK_HIGH();
    return c;
}

其中：

#define RCK_HIGH()  do { OV7670_RCK_PORT->BSRR = OV7670_RCK_PIN; } while(0)
#define RCK_LOW()   do { OV7670_RCK_PORT->BSRR = (OV7670_RCK_PIN << 16); } while(0)
#define DATA_READ() ((uint8_t)(OV7670_DATA_PORT->IDR & 0xFF))

用 VSYNC 中断（PB14 上升沿）界定一帧：第 1 个上升沿复位写指针开始采集，第 2 个上升沿冻结当前帧：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin != OV7670_VSYNC_PIN) return;
    if (ov_sta < 2)
    {
        if (ov_sta == 0) {
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WRST_PORT, OV7670_WRST_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WRST_PORT, OV7670_WRST_PIN, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WEN_PORT, OV7670_WEN_PIN, GPIO_PIN_SET);
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WEN_PORT, OV7670_WEN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WRST_PORT, OV7670_WRST_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(OV7670_WRST_PORT, OV7670_WRST_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        ov_sta++;
    }
}

两个应用：OV7670_DrawToLCD() 抽点预览到屏幕，OV7670_CaptureToFlash() 抓 160×120 灰度图写 W25Q 供人脸识别。

int OV7670_CaptureToFlash(uint32_t w25q_addr, uint32_t *pixel_count)
{
    ...
    for (sy = 0; sy < 240; sy++)
        for (sx = 0; sx < 320; sx++) {
            uint16_t c = ov7670_read_pixel();
            if ((sy & 1) == 0 && (sx & 1) == 0) {
                uint8_t g = (uint8_t)(((c >> 5) & 0x3F) << 2);
                page[page_off++] = g;
                ...
            }
        }
    ...
}

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九、W25Q Flash（w25q128.c）

16MB SPI Flash，干三件事：暂存 OTA 固件、暂存人脸图像、镜像时间。分区：

#define W25Q_FW_ADDR     0x00000000u   /* OTA 固件暂存（256KB） */
#define W25Q_FLAG_ADDR   0x00040000u   /* OTA 标志（4B） */
#define W25Q_FACE_ADDR   0x00050000u   /* 人脸帧缓冲 */
#define W25Q_TIME_ADDR   0x00080000u   /* 时间镜像（4KB） */

基本操作 W25Q_Read/W25Q_Write/W25Q_Erase4K/W25Q_Erase64K，写前先擦。初始化遍历 4 种 SPI 模式读 JEDEC ID 识别 Winbond(0xEF)/GigaDevice(0xC8)。

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十、ESP8266（esp8266.c）

走 USART1，AT 指令。接收用 DMA 环形缓冲（不是轮询 RXNE，否则 UI 刷屏抢占时会丢字节、AT 响应丢失）：

#define DMABUF_SZ 4096
static uint8_t dmabuf[DMABUF_SZ];

ESP8266_DMA_Read() 处理环形缓冲绕回，把新收到的字节取出来。连 WiFi/TCP 发 AT+CWJAP、AT+CIPSTART 等，参数在 esp8266.h：

#define WIFI_SSID     "Makoto"
#define WIFI_PASS     "ec392241"
#define OTA_IP        "192.168.20.253"
#define FACE_PORT     8080
#define OTA_PORT      8081
#define STA_IP        "192.168.20.200"

传大块二进制用「透传模式」：AT+CIPMODE=1 后 AT+CIPSEND，串口与 TCP 直连。退出透传发 +++（无回车，前后 1 秒静默）。

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十一、人脸识别（face_task.c）

MCU 只负责抓图上传，识别在电脑做。协议帧：20 字节头 + 灰度数据 + {0x55,0xAA} 尾，头里含宽高、长度、CRC32、RTC 时间。

任务流程：预览 4 秒 → 检查 TCP 连上 → 连发两张图（擦 W25Q → 抓图 → 算 CRC → 透传发送 → 收结果）→ 成功开门。

后台联网任务 StartNetTask 维护 g_net_state（0=未连、1=连 WiFi、2=连 TCP），点「人脸识别」不用傻等联网。时间同步也是它在 TCP 连上后处理：发 TIME?\n，收 TIME:HH:MM:SS\n，写 RTC。

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十二、RFID 刷卡（RC522.c + rfid_task.c）

RC522 访问前把 SPI 分频临时降到 5.25MHz（RC522 上限 10MHz）：

static inline void RC522_SPI_Select(void) {
    hspi1.Instance->CR1 = (hspi1.Instance->CR1 & ~SPI_CR1_BR) | SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
}
static inline void RC522_SPI_Release(void) {
    hspi1.Instance->CR1 = (hspi1.Instance->CR1 & ~SPI_CR1_BR) | SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;
}

读写寄存器：

void MFRC_WriteReg(uint8_t addr, uint8_t data)
{
    uint8_t AddrByte = (addr << 1) & 0x7E;
    RS522_NSS(0);
    SPI_RW_Byte(AddrByte);
    SPI_RW_Byte(data);
    RS522_NSS(1);
}

刷卡任务循环寻卡、取卡号、白名单比对，有效就 lock_open() 开门。

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十三、舵机与语音（lock.c）

舵机用 TIM2 的 50Hz PWM（Prescaler=83/Period=19999），改占空比就是角度：

#define SERVO_OPEN   500
#define SERVO_CLOSE  2500
#define SERVO_MID    1500

void lock_open(void)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, SERVO_OPEN);
    HAL_Delay(2000);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, SERVO_MID);
}

SU-03T 语音用 USART6 收发，播报帧 AA 55 <消息号> [参数] 55 AA：

void voice_success(void)
{
    uint8_t cmd[] = {0xAA, 0x55, 0x02, 0x55, 0xAA};
    HAL_UART_Transmit(&huart6, cmd, sizeof(cmd), 100);
}

SU-03T 也能反向发指令（喊「开门」触发识别），接收用中断 + 状态机解析 AA 55 <cmd> 55 AA 帧，UI 任务轮询 su03_poll() 处理。

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十四、旋钮与按键（input.c）

ADC + DMA 连续采样两个通道：adc_buf[0]=旋钮，adc_buf[1]=按键。

void input_init(void)
{
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, 2);
}

uint8_t input_get_knob(void)
{
    uint16_t v = adc_buf[0];
    return (uint8_t)((uint32_t)v * 100U / 4095U);
}

input_poll_key() 按电压阈值判断键位 + 20ms 去抖，只在「空闲→按下」下降沿返回一次事件。

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十五、OTA 升级（ota.c + ota_task.c）

状态机 OTA_WIFI → OTA_TCP → OTA_DL → OTA_OK/FAIL，枚举在 ota.h：

typedef enum{OTA_IDLE,OTA_WIFI,OTA_TCP,OTA_DL,OTA_OK,OTA_FAIL}OTA_St;

固件头 256 字节，含 magic 0x4F544148、长度、CRC32。关键：先擦 W25Q 暂存区再连服务器，否则擦除期 DMA 缓冲回绕冲掉固件头。

任务收完后弹「OK/Cancel」确认，确认就 NVIC_SystemReset() 复位进 Bootloader。net_paused 标志在 OTA 期间暂停 netTask。

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十六、RTC 实时时钟（rtc.c）

RTC 靠 LSE 32.768kHz 晶振 + 纽扣电池（VBAT） 掉电走时。用直接寄存器操作（不依赖 HAL RTC）。

• LSE 由 VBAT 供电，掉电走时；LSI（内部 RC）不在备份域，掉电停摆，所以必须用 LSE。
• LSE 起振慢，等待超时要 5 秒左右。

核心坑：INITS 标志。 STM32 的 INITS（日历已初始化）由硬件在「日期寄存器 DR 的年份 != 0」时才置 1。只写时间 TR、不写日期 DR，INITS 永远为 0，每次上电都以为没初始化、时间被清掉——这就是掉电不走时的根因。

正确写法，时间日期都要写：

RTC->TR = make_tr(h, m, s);   /* 写时间 */
RTC->DR = make_dr();          /* 写日期（年份=1）→ 置位 INITS */

static uint32_t make_dr(void)
{
    return (1UL << 16) |   /* YU = 1 */
           (1UL << 13) |   /* WDU = 1 */
           (1UL << 8)  |   /* MU = 1 */
           (1UL << 0);     /* DU = 1 */
}

初始化：

void rtc_init(void)
{
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
    PWR->CR |= PWR_CR_DBP;

    bool inits = (RTC->ISR & RTC_ISR_INITS) != 0;
    bool using_lse = ((RCC->BDCR & RCC_BDCR_RTCSEL) == RCC_BDCR_RTCSEL_0);

    if (inits && using_lse) {
        while (!(RTC->ISR & RTC_ISR_RSF));
        return;
    }
    /* 读旧时间 → BDRST 复位备份域 → 起 LSE(等5s) → 选 LSE → 写 TR/DR */
}

读时间：

void rtc_get_hms(uint8_t *h, uint8_t *m, uint8_t *s)
{
    uint32_t tr = RTC->TR;
    *h = bcd_val(tr, 20, 16);
    *m = bcd_val(tr, 12, 8);
    *s = bcd_val(tr, 4, 0);
}

RTC 注意事项汇总：① INITS 靠写日期置位；② LSE 等 5 秒；③ F401 没有 LSEMOD 位；④ 换时钟源要 BDRST；⑤ 读 TR 前等 RSF；⑥ 写 BDCR 前开 DBP。完整调试过程见工程 WORKFLOW.md。

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十七、main.c 启动顺序

int main(void)
{
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x8000;
  __enable_irq();
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART6_UART_Init();

  lv_init();
  lv_port_disp_init();
  ui_init();
  input_init();

  OV7670_Init();
  W25Q_Init();
  lock_init();
  rtc_init();

  osKernelInitialize();
  MX_FREERTOS_Init();
  osKernelStart();
  while (1) { }
}

LVGL 和界面要在 osKernelStart() 之前建好。

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十八、上位机（smartid.py）

Python + Tkinter，三个功能页：人脸识别服务器（TCP 8080）、人脸训练、OTA 服务器（TCP 8081）。人脸和 OTA 互斥（共用一个 ESP8266）。

对时协议（电脑端）：

if head == b"TIME?\n":
    now = datetime.now()
    conn.sendall(f"TIME:{now.hour:02d}:{now.minute:02d}:{now.second:02d}\n".encode())

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十九、常见问题与注意事项

1. RTC 掉电不走时：先查有没有写日期寄存器 DR（INITS 靠它置位），再查 LSE 起振等待够不够长。
2. SPI 冲突：屏幕/W25Q/RC522 共用 SPI1，访问前拿 spi1_mutexHandle 锁。
3. RC522 读不到卡：先查 SPI 分频（降到 5.25MHz），再查 PC13（与板载 LED 共用，驱动能力弱）。
4. ESP8266 连不上/丢字节：接收用 DMA 环形缓冲，别轮询 。
5. OTA 升级完没变化：检查「先擦 W25Q 再连服务器」、内部 Flash 用 32 位字写。
6. 人脸识别一直转圈：查 WiFi 账号密码、静态 IP 是否与电脑同网段、电脑服务器是否启动。
7. 烧录后白屏：确认 Bootloader 在 0x08000000、App 在 0x08008000、SCB->VTOR 已重定位。
8. F401 RAM 只有 64KB：FreeRTOS 堆 20KB，别开大静态数组。

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二十、总结

这个项目从自己画原理图/PCB 开始，串起了 STM32 的几乎所有常用外设——SPI（屏/Flash/RFID）、I2C（摄像头配置）、UART+DMA（WiFi）、ADC+DMA（旋钮按键）、TIM（舵机 PWM + 时基）、EXTI（帧同步）、RTC+LSE（掉电时钟），再叠加 FreeRTOS 多任务、LVGL 界面、Bootloader 双区 OTA，非常适合新手练手。

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