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基于天空星STM32F407的雨滴传感器模块驱动移植与ADC/GPIO应用实战

news 2026/5/12 11:53:41

基于天空星STM32F407的雨滴传感器模块驱动移植与ADC/GPIO应用实战

最近在做一个智能车窗的小项目，需要检测是否下雨以及雨量大小，于是就用上了雨滴传感器。很多刚开始接触STM32 ADC和GPIO应用的朋友，可能会觉得传感器驱动移植有点无从下手。今天我就以手头的这块立创天空星STM32F407开发板为例，带大家一步步搞定一个基于LM393的雨滴传感器模块，从硬件连接到代码编写，再到功能验证，把整个过程掰开揉碎了讲清楚。

咱们的目标很明确：让开发板能通过传感器判断雨滴板上有没有水，甚至能大致感知雨量大小。这在实际项目中，比如自动雨刷、智能关窗等场景里非常有用。整个过程会涉及到GPIO的输入模式配置、ADC模拟输入采集，以及如何将原始数据转换成我们能理解的百分比。放心，我会把每一步的原理和操作都讲明白，让你不仅能“照做”，更能“看懂”。

1. 认识你的雨滴传感器模块

在动手写代码之前，咱们得先搞清楚要驱动的对象是个啥。我用的这个雨滴传感器模块很常见，网上很容易买到。

1.1 模块是怎么工作的？

这个模块的核心是一块特殊的电路板，上面有像线条一样涂覆的镍层。它的工作原理其实挺巧妙的：利用水的导电性。

你可以把它想象成两个电极中间有个空气间隙。没水的时候，空气是绝缘的，电路是断开的。当雨滴落到这两个电极上时，水就成了一座“导电桥”，把两个电极连接起来，形成一个电流回路。这样一来，两个电极之间的电阻就变小了，它们两端的电压（压降）也就随之改变。

模块上的控制板基于一个叫LM393的运算放大器芯片。它有两个输出口：

  • AO（模拟输出）：这个引脚直接输出一个变化的电压值。雨滴板上的水越多，导电性越好，电阻越小，输出的电压就越高。我们需要用单片机的ADC（模数转换器）功能来读取这个变化的电压，从而判断雨量大小。
  • DO（数字输出）：这个信号是经过LM393比较器处理过的。模块上有个蓝色的可调电阻，你可以用它设定一个阈值。当AO端的电压超过这个阈值时（意味着雨量达到一定程度），DO引脚就会从高电平变成低电平。这个信号非常干脆，就是简单的0或1，适合直接用单片机的GPIO输入功能来读取，用于做“有雨/无雨”的开关判断。

模块上还有两个LED指示灯：一个电源灯（PWR-LED），通电就常亮；另一个是输出信号灯（DO-LED），当检测到雨滴（DO输出低电平）时才会亮，方便你直观观察。

1.2 模块的关键参数

了解规格参数，才能正确使用它。这个模块的主要参数如下：

参数项规格说明
工作电压3.3V - 5V （和咱们的开发板兼容，可以直接用3.3V供电）
输出方式DO：数字量输出（0或1）
AO：模拟量输出（电压值）
读取方式DO：GPIO数字输入
AO：ADC模拟输入
接口4 Pin 排针（2.54mm间距）

模块的接线很简单，通常四根线分别是：VCC（电源正）、GND（电源地）、AO（模拟输出）、DO（数字输出）。

2. 硬件连接与引脚规划

接下来，要把传感器和天空星开发板连起来，并决定用哪个引脚。

2.1 连接电路

连接非常简单：

  1. VCC-> 连接到开发板的3.3V电源引脚。
  2. GND-> 连接到开发板的GND引脚。
  3. AO-> 连接到我们准备用作ADC输入的引脚（例如PC1）。
  4. DO-> 连接到我们准备用作GPIO输入的引脚（例如PE1）。

注意：供电一定要在3.3V-5V之间，虽然模块支持5V，但为了与开发板电平匹配，建议统一使用3.3V。

2.2 引脚选择与配置思路

选择引脚不是随便选的，需要看芯片数据手册。

  • AO引脚（ADC输入）：这是关键。我们需要找一个具有ADC外设功能的引脚。查看STM32F407的数据手册，我发现PC1这个引脚复用了ADC1的第11号输入通道，正好合适。所以，我们决定将传感器的AO线接到PC1。
  • DO引脚（GPIO输入）：这个就灵活多了，几乎任何普通的GPIO引脚都可以配置为输入模式。为了布线方便或者个人习惯，我选择了PE1。你完全可以根据自己板子的空闲情况选择其他引脚，记得在代码里改过来就行。

所以，最终的硬件连接和软件配置对应关系是：

  • 传感器AO -> STM32的PC1(ADC1_IN11)
  • 传感器DO -> STM32的PE1(普通GPIO输入)

3. 手把手编写驱动代码（bsp_raindrop）

硬件连好了，现在来写让传感器“活”起来的代码。我们采用模块化的方式，创建bsp_raindrop.c和bsp_raindrop.h两个文件。“bsp”是“板级支持包”的意思，这样写代码结构清晰，以后移植到其他项目也方便。

3.1 头文件定义 (bsp_raindrop.h)

头文件的主要作用是进行宏定义和函数声明，把硬件相关的引脚、端口信息固定下来，这样修改硬件连接时只需要改头文件，非常方便。

#ifndef _BSP_RAINDROP_H__ #define _BSP_RAINDROP_H__ #include "stm32f4xx.h" /* 时钟宏定义 */ #define RCC_RAINDROP_GPIO_AO RCC_AHB1Periph_GPIOC // PC1的GPIO时钟 #define RCC_RAINDROP_GPIO_DO RCC_AHB1Periph_GPIOE // PE1的GPIO时钟 #define RCC_RAINDROP_ADC RCC_APB2Periph_ADC1 // ADC1的时钟 /* AO引脚（ADC输入）定义 */ #define BSP_RAINDROP_GPIO_PORT_AO GPIOC #define BSP_RAINDROP_GPIO_PIN_AO GPIO_Pin_1 /* DO引脚（数字输入）定义 */ #define BSP_RAINDROP_GPIO_PORT_DO GPIOE #define BSP_RAINDROP_GPIO_PIN_DO GPIO_Pin_1 /* ADC相关定义 */ #define BSP_ADC ADC1 #define BSP_RAINDROP_ADC_CHANNEL ADC_Channel_11 // PC1对应ADC1的通道11 /* 函数声明 */ void raindrop_gpio_config(void); // 初始化函数 unsigned int get_raindrop_percentage_value(void); // 获取雨量百分比 unsigned char get_raindrop_do_value(void); // 获取数字开关量 #endif

3.2 初始化函数详解 (raindrop_gpio_config)

这是最核心的函数，负责配置GPIO和ADC的工作模式。我把它拆解成几个部分，咱们一步步看。

第一部分：开启硬件时钟STM32的任何外设（GPIO、ADC等）在使用前，都必须先打开对应的时钟，相当于给这个部件通电。

void raindrop_gpio_config(void) { RCC_AHB1PeriphClockCmd (RCC_RAINDROP_GPIO_AO, ENABLE); // 使能GPIOC时钟 RCC_AHB1PeriphClockCmd (RCC_RAINDROP_GPIO_DO, ENABLE); // 使能GPIOE时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_RAINDROP_ADC, ENABLE); // 使能ADC1时钟

第二部分：配置AO引脚为模拟输入模式AO引脚要测量变化的电压，必须设置为模拟输入模式。这个模式下，引脚内部的所有数字电路（上拉、下拉电阻等）都被断开，直接连接到ADC。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /* 配置PC1 (AO) 为模拟输入 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BSP_RAINDROP_GPIO_PIN_AO; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; // 关键！模拟输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; // 速度模式对输入影响不大，可保持默认 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 模拟输入模式下，禁止上拉下拉 GPIO_Init(BSP_RAINDROP_GPIO_PORT_AO, &GPIO_InitStructure);

第三部分：配置DO引脚为数字输入模式DO引脚输出的是干净的高/低电平，我们只需要读取它，所以配置为浮空输入模式即可。

/* 配置PE1 (DO) 为浮空输入 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BSP_RAINDROP_GPIO_PIN_DO; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; // 输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 浮空输入 GPIO_Init(BSP_RAINDROP_GPIO_PORT_DO, &GPIO_InitStructure);

第四部分：配置ADC外设这部分稍微复杂点，但按照固定流程走就没问题。STM32的ADC有很多高级功能，我们这里用最基本、最常用的独立单次转换模式。

/* ADC公共配置（影响ADC1/2/3的共用设置）*/ ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct; ADC_DeInit(); // 先复位ADC到默认状态，这是个好习惯 ADC_CommonInitStruct.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; // 不用DMA ADC_CommonInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式，ADC1单独工作 ADC_CommonInitStruct.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; // ADC时钟分频，决定转换速度 ADC_CommonInitStruct.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; // 采样间隔 ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStruct); /* ADC1自身配置 */ ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct; ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换模式，转换一次就停止 ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐，方便读取 ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; // 不使用外部触发，用软件触发 ADC_InitStruct.ADC_NbrOfConversion = 1; // 只进行1个通道的转换 ADC_InitStruct.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; // 12位分辨率，结果范围0-4095 ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描模式（单通道） ADC_Init(BSP_ADC, &ADC_InitStruct); // 指定ADC用哪个通道（第11通道）进行转换，并设置采样时间 ADC_RegularChannelConfig(BSP_ADC, BSP_RAINDROP_ADC_CHANNEL, 1, ADC_SampleTime_480Cycles); // 使能ADC ADC_Cmd(BSP_ADC, ENABLE); }

提示：ADC_SampleTime_480Cycles表示采样时间为480个ADC时钟周期，时间较长，可以提高精度，适合测量像传感器电压这样变化不快的信号。

3.3 数据读取函数

初始化完成后，我们就能读取数据了。需要两个函数，分别读取AO和DO。

读取ADC原始值函数这个函数负责启动一次ADC转换，并等待转换完成，最后返回12位的数字值（0-4095）。

unsigned int get_adc_value(void) { ADC_SoftwareStartConv(BSP_ADC); // 软件触发，开始一次转换 while(!ADC_GetFlagStatus(BSP_ADC, ADC_FLAG_EOC )); // 等待转换结束标志位 uint32_t data = ADC_GetConversionValue(BSP_ADC); // 读取转换结果 delay_ms(100); // 简单延时，避免读取过于频繁 return data; }

将ADC值转换为雨量百分比直接看0-4095的数字不直观，我们把它转换成“湿度”或“雨量”百分比。这里有个逻辑：传感器板越干燥，电阻越大，AO电压越低，ADC值越小。所以，ADC值越大表示水越多。

unsigned int get_raindrop_percentage_value(void) { int adc_max = 4095; // 12位ADC最大值 uint32_t adc_new = 0; int Percentage_value = 0; int i = 0; int count = 3; // 采样3次取平均，让数值更稳定 for(i = 0; i < count; i++) { adc_new += get_adc_value(); // 累加ADC值 delay_1ms(100); } adc_new = adc_new / count; // 计算平均值 // 核心转换公式：百分比 = (1 - (ADC值 / 4095)) * 100 // 当ADC值=0（最干），百分比=100%；当ADC值=4095（最湿），百分比=0% Percentage_value = ( 1.0f - ( (float)adc_new / (float)adc_max ) ) * 100; return Percentage_value; }

注意：这个百分比是一个相对值，表示“干燥程度”。100%表示完全干燥，0%表示传感器板被水完全覆盖（或导电性极好）。你可以根据这个百分比来划分雨量等级（如：>80%无雨，30%-80%小雨，<30%大雨）。

读取数字开关量函数这个函数就简单多了，直接读取DO引脚的电平状态。

unsigned char get_raindrop_do_value(void) { // 读取PE1引脚的电平，返回0（低电平，有雨）或1（高电平，无雨） return GPIO_ReadInputDataBit(BSP_RAINDROP_GPIO_PORT_DO, BSP_RAINDROP_GPIO_PIN_DO); }

模块上的蓝色电位器就是用来调节这个电平翻转的阈值的。顺时针拧，灵敏度提高（一点水就触发）；逆时针拧，灵敏度降低（需要更多水才触发）。

4. 在主函数中调用与验证

驱动写好了，最后一步就是在主函数里把它们用起来，并且通过串口打印出来看看效果。

#include "board.h" #include "bsp_uart.h" #include <stdio.h> #include "bsp_raindrop.h" int main(void) { // 开发板基础初始化（系统时钟、滴答定时器等） board_init(); // 初始化串口1，用于打印信息到电脑，波特率115200 uart1_init(115200U); // 初始化雨滴传感器（配置GPIO和ADC） raindrop_gpio_config(); printf("雨滴传感器测试程序启动...\r\n"); while(1) { // 读取并打印雨量百分比 printf("雨水百分比 = %d%%\r\n", get_raindrop_percentage_value()); // 读取并打印数字开关状态 unsigned char do_state = get_raindrop_do_value(); if(do_state == 0) { printf("DO状态：检测到雨滴（低电平）\r\n"); } else { printf("DO状态：无雨（高电平）\r\n"); } printf("-----------------\r\n"); delay_ms(1000); // 每秒读取一次 } }

上电验证：

  1. 将代码编译下载到天空星开发板。
  2. 用USB转串口模块连接开发板的串口1到电脑，打开串口助手（如Xshell、Putty），设置波特率115200。
  3. 给传感器模块的雨滴板上滴几滴水。
  4. 观察串口助手打印的信息。你会看到“雨水百分比”数值下降，同时DO状态很可能变为“检测到雨滴”。用手或纸巾擦干水渍，数值和状态又会恢复。
  5. 尝试调节模块上的蓝色电位器，观察DO状态变化的灵敏度。

通过这个实战，你不仅学会了如何驱动一个具体的传感器，更重要的是掌握了STM32处理模拟量（ADC）和数字量（GPIO输入）的通用方法。下次遇到其他类似的传感器，比如光照传感器、土壤湿度传感器（模拟输出型），你完全可以照猫画虎，快速上手。

http://www.jsqmd.com/news/486901/

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