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嵌入式课程设计

基于STM32F103C8T6的智能手表设计

2026 嵌入式系统课程设计项目 | 基于 FreeRTOS 实时操作系统

📋 项目概述

本项目是嵌入式系统课程设计作业，以 STM32F103C8T6 最小系统板 为核心主控，采用 FreeRTOS 抢占式多任务内核进行调度，集成 OLED 显示、MPU6050 六轴传感器、旋转编码器、蓝牙通信模块，实现智能手表的时间显示、运动计步、人机交互、无线数据同步等完整功能。

项目完成课程大纲全部基本要求，并实现扩展要求 1（编码器多级菜单）、扩展要求 2（蓝牙上位机同步）、扩展要求 4（运动计步与数据记录），不包含 PCB 设计。

✨ 功能特性

基础功能

• 片内 RTC 精准走时：复用主控片内 RTC 外设 + 板载 32.768kHz 晶振（LSE）走时，无需外置 RTC 芯片；RTC 位于独立后备域，休眠（STOP）期间仍持续走时，唤醒后时间不丢失
• 多页面显示：1.3 寸 OLED 屏幕，支持时间页、传感器数据页、计步统计页切换
• 六轴传感采集：MPU6050 实时读取加速度与陀螺仪原始数据
• 多任务调度：FreeRTOS 抢占式内核，任务间通过消息队列与互斥信号量安全通信
• 独立电源系统：3.7V 锂电池供电，支持 Type-C 充电，搭配分立元件一键开机电路

扩展功能

1. 旋转编码器交互：EC11 编码器 + 定时器硬件正交解码，实现多级菜单流畅翻页、参数调整与按键确认
2. 蓝牙无线同步：JDY-31 经典蓝牙模块，配合 PC 端图形化上位机，实现运动数据与时间的双向无线同步
3. 运动计步算法：基于加速度计的动态阈值 + 波峰检测滤波算法，过滤日常杂散抖动，支持步数统计、历史数据 RAM 缓存与内部 Flash 掉电持久化
4. 低功耗管理：10s 无操作自动熄屏并进入 STOP 低功耗模式，支持编码器按键 / MPU6050 抬腕中断（EXTI）唤醒（STOP 下编码器旋转不参与唤醒）

🛠️ 硬件清单

模块	型号/规格	说明
主控单元	STM32F103C8T6 最小系统板	核心控制单元，由课程提供
显示模块	1.3 寸 OLED 128×64（软件 I2C）	界面与数据显示输出（软件 I2C 规避 F1 硬件 I2C 死锁）
运动传感器	MPU6050 六轴模块（I2C 接口）	姿态检测、计步数据采集
输入交互	EC11 旋转编码器（带微动开关）	菜单切换、数值调节与按键确认
无线通信	JDY-31 经典蓝牙模块（UART 接口）	与上位机进行无线数据交互
电源系统	3.7V 锂电池 + TP4056 充电模块 + XC6206 LDO	整机供电与锂电池充电管理
开机电路	SI2301 PMOS + S8050 NPN + 轻触按键	一键开关机控制逻辑
原型辅料	面包板、杜邦线、基础阻容件	电路原型搭建与调试

🧠 软件架构

FreeRTOS 任务规划

任务名称	优先级	触发方式	核心职责
Task_Power	4（最高）	超时触发 / 外部中断	电源状态监测、低功耗模式管理、唤醒事件处理
Task_Sensor	3（高）	20ms 定时周期	MPU6050 数据采样、计步算法运算、运动数据缓存
Task_UI	2（中）	事件驱动	多级菜单状态机维护、OLED 界面渲染刷新
Task_Comm	1（低）	数据队列触发	数据打包、蓝牙串口异步发送、上位机指令解析

核心技术点

• OLED 软件 I2C + MPU6050 硬件 I2C1 双总线物理隔离，从根本上消除总线访问冲突；跨任务共享数据由消息队列与互斥锁保护
• 定时器硬件正交解码，无阻塞高效处理编码器旋转输入
• 动态阈值波峰检测计步算法，有效过滤日常抖动带来的误触发
• 串口环形缓冲区设计，实现蓝牙异步无阻塞数据收发
• 多级结构体菜单状态机，支持多层页面嵌套跳转与参数设置

📁 目录结构

📂 仓库目录结构

GitHub 仓库根目录采用模块化拓扑进行组织，具体架构如下：

SmartWatch_STM32
├── Hardware/    # 硬件资料（原理图、BOM清单）
├── Firmware/    # STM32CubeIDE 固件工程
│   ├── Core/    # 业务代码与 FreeRTOS 任务
│   ├── Drivers/ # HAL 库与外设驱动
│   └── FreeRTOS/# 操作系统内核
├── Host/        # 蓝牙上位机（Python）
├── Docs/        # 课程交付文档
└── README.md

🚀 快速开始

1. 硬件搭建

参考 Hardware/Schematic/ 目录下的原理图，在面包板上完成所有模块的接线，确认电源正负极无误后再上电测试。

2. 固件编译与烧录

• 工具链：VSCode + CMake + Ninja + arm-none-eabi-gcc（工程已随仓库提供 CMakePresets.json 与工具链文件 Firmware/cmake/gcc-arm-none-eabi.cmake）
• 外设配置由 Firmware/SmartWatch.ioc（CubeMX 工程）生成；如需改引脚可参考 Firmware/CubeMX配置清单.md，应用层接入方式见 Firmware/集成说明.md
• 编译（在 Firmware/ 目录下）：

  cmake --preset Debug
  cmake --build --preset Debug

  生成的固件为 Firmware/build/Debug/SmartWatch.elf
• 通过 ST-Link 调试器将 .elf 烧录至 STM32F103C8T6 最小系统板

3. 上位机使用

• 安装 Python 依赖：pip install -r Host/requirements.txt（或 pip install pyserial pyqt5）
• 进入 Host/ 目录，运行 python watch_gui.py
• 电脑配对蓝牙模块（JDY-31，出厂波特率 9600）后会生成一个串口，在下拉框选择该串口并连接，即可实时查看手表时间、步数与加速度数据，并可校时 / 请求同步

📅 开发进度

• ✅ 阶段一（6.29 - 6.30）：选题确认、物料采购、项目计划书提交
• 🔄 阶段二（7.1 - 7.2）：硬件原型搭建、底层驱动开发、系统设计文档提交
• ⏳ 阶段三（7.3 - 7.6）：FreeRTOS 移植、核心功能开发、中期检查
• ⏳ 阶段四（7.7 - 7.8）：全功能联调、上位机开发、验收准备
• ⏳ 阶段五（7.9 - 7.10）：第一次验收、问题整改、最终验收

👥 团队分工

成员	负责方向	主要工作
周瑜亮	硬件与通信	硬件电路搭建、电源系统调试、蓝牙通信驱动、低功耗功能开发
郭浩哲	内核与算法	FreeRTOS 移植与任务调度、片内 RTC（LSE）走时与 Flash 持久化、运动计步算法开发
叶锦前	UI 与上位机	编码器驱动、多级菜单状态机、OLED 显示驱动、蓝牙上位机开发、项目文档维护

📄 许可证

本项目仅用于课程设计学习交流，代码部分遵循 MIT License。