系统架构设计：硬件架构选型与软件分层

好，咱们进入第二章。这一章我打算聊聊系统架构设计。说实话，很多刚入行的工程师容易一上来就画框图、选芯片，结果做到一半发现资源不够用，或者外设驱动打架。我早期也吃过这个亏，所以今天咱们把这块掰开揉碎了讲。

硬件架构选型：MCU、传感器、执行器

先说说MCU选型。剃须刀自清洁系统，说白了就是个带液位检测、电机控制和定时逻辑的小型嵌入式系统。我个人的习惯是，先列需求，再选型。

MCU的核心需求：

• 至少2路PWM输出（控制清洁电机和烘干风扇）
• 2路ADC（检测液位传感器和温度）
• 1路UART（调试用，量产时可以去掉）
• 若干GPIO（按键、LED指示灯）
• 工作温度范围：-20℃~85℃（浴室环境要考虑）

我建议选用Cortex-M0内核的MCU，比如STM32G030或者国产的GD32E230。为什么？因为这类芯片性价比高，8K RAM、64K Flash足够用，而且开发工具链成熟。我在项目中遇到过用STM32F103做类似产品的情况，说实话有点浪费，F103的CAN和USB接口根本用不上。

传感器选型：

• 液位传感器： 我推荐用电容式非接触液位传感器，比如XKC-Y25。为什么不用浮球式？因为清洁液有泡沫，浮球容易被卡住。电容式的贴在容器外壁就行，维护成本低。
• 温度传感器： 用DS18B20，单总线通信，一根线搞定。注意要加4.7K上拉电阻，这个我经常忘。
• 霍尔传感器： 检测仓门是否关闭。用A3144，便宜又皮实。

执行器选型：

• 清洁电机： 微型直流减速电机，额定电压5V，带编码器反馈。编码器用来检测堵转，这个很重要。
• 烘干风扇： 无刷直流风扇，PWM调速。注意选静音型的，不然用户投诉。
• 电磁阀： 控制清洁液排放。用2W-025-08型，常闭式，断电自动关闭。

软件分层架构设计

软件架构这块，我坚持一个原则：分层清晰，模块独立。你想想看，如果所有代码都堆在main.c里，后期维护就是噩梦。我见过一个项目，一个文件写了3000行，改个定时器参数要找半天。

我习惯分三层：

层级	职责	示例文件
应用层	业务逻辑、状态机、用户交互	app_clean.c, app_ui.c
中间层	协议解析、数据缓存、算法	mid_protocol.c, mid_filter.c
驱动层	MCU外设操作、传感器读写	drv_motor.c, drv_adc.c

应用层 负责状态机。比如自清洁流程：待机→注液→清洗→排液→烘干→完成。每个状态对应一个函数，状态切换用switch-case实现。嗯，这里要注意，状态机里不要做延时阻塞，否则按键响应会卡死。

中间层 我一般放协议解析。比如上位机通过UART下发指令，格式是：0xAA 0x55 CMD LEN DATA CHECKSUM。解析完再回调应用层的处理函数。这样做的好处是，换通信协议时只改中间层，应用层不用动。

驱动层 就是直接操作寄存器。比如PWM初始化：

void drv_motor_init(void) {
    // 使能定时器时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    // 配置GPIO为复用功能
    GPIOA->AFR[0] |= (0x01 << 4);  // PA0 -> TIM2_CH1
    GPIOA->MODER |= (0x02 << 0);   // 复用模式
    // 配置PWM参数
    TIM2->PSC = 71;   // 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 999;  // 1MHz / 1000 = 1KHz
    TIM2->CCR1 = 0;   // 初始占空比0%
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;  // PWM模式1
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;  // 使能输出
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;     // 启动定时器
}

通信协议选择

剃须刀自清洁系统内部通信不多，主要是MCU和传感器、执行器之间的点对点通信。我推荐用以下方案：

• I2C： 用于和EEPROM通信，存储用户设置（比如清洁时长、烘干温度）。AT24C02就够用，2Kbit容量。
• 单总线： DS18B20温度传感器，一根线搞定数据读写。注意时序要求严格，建议用定时器模拟，别用delay。
• UART： 调试用，波特率115200。量产时可以把TX/RX引脚复用为GPIO，省成本。

如果产品需要和手机APP通信（比如显示清洁进度），我建议用蓝牙BLE。选TI的CC2541或者国产的PHY6212，透传模式，MCU通过UART发AT指令控制。我在项目中用过这种方式，开发周期短，稳定性也不错。

好了，系统架构这块就聊这么多。下一章咱们深入讲讲状态机的具体实现，包括怎么处理异常情况——比如清洁液不够了怎么办？电机堵转了怎么恢复？这些实战经验到时候一并分享。