简介：炎炎夏日，何以解暑？一杯冰冰凉的饮品才是终极答案！现在，小北极冰冰杯来啦，为您带来前所未有的清凉体验。

我很乐意为您详细阐述“小北极冰冰杯”嵌入式系统的开发流程、代码架构、技术选型以及具体的C代码实现。为了确保内容详尽且实用，我将按照嵌入式系统开发的完整生命周期，从需求分析开始，逐步深入到系统设计、代码实现、测试验证以及维护升级，力求为您呈现一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台。
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项目背景：小北极冰冰杯

在炎炎夏日，一杯冰凉的饮品是解暑的绝佳选择。“小北极冰冰杯”应运而生，旨在为用户带来前所未有的清凉体验。这款产品通过嵌入式系统控制，实现快速制冷，保持饮品冰爽，让用户随时随地享受冰凉饮品带来的舒适感。

一、需求分析

需求分析是嵌入式系统开发的第一步，也是至关重要的一步。明确的需求是项目成功的基石。对于“小北极冰冰杯”而言，我们需要从功能性需求和非功能性需求两个方面进行详细分析。

1. 功能性需求

• 制冷功能：
  • 快速制冷： 能够在短时间内将杯内饮品温度降低至预设温度，例如 5℃ 或更低。
  • 温度控制： 能够精确控制杯内饮品温度，保持在用户设定的目标温度范围内。
  • 多档位制冷： 提供至少三个制冷档位（例如：弱冷、中冷、强冷），用户可以根据需求选择不同的制冷强度。
  • 温度显示： 实时显示杯内饮品温度，方便用户了解制冷状态。
  • 定时制冷： 支持定时制冷功能，用户可以设定制冷时长，例如 30 分钟、60 分钟、90 分钟等。
• 用户交互功能：
  • 按键操作： 通过实体按键进行操作，例如：电源开关、制冷档位切换、定时设置等。
  • 指示灯显示： 通过 LED 指示灯显示设备状态，例如：电源状态、制冷状态、故障状态等。
  • 声音提示： 在关键操作时提供声音提示，例如：开机提示、关机提示、制冷完成提示等（可选）。
• 电源管理功能：
  • 低功耗设计： 采用低功耗元器件和优化算法，降低功耗，延长电池续航时间。
  • 电池电量显示： 实时显示电池电量，方便用户了解剩余电量。
  • 充电功能： 支持 USB 或其他方式充电。
  • 自动关机： 在电量过低或长时间无操作时自动关机，保护电池并节省电量。
• 安全保护功能：
  • 过温保护： 当制冷模块温度过高时，自动停止制冷，防止设备损坏或安全隐患。
  • 过流保护： 当电路电流过大时，自动切断电源，保护电路和设备。
  • 防倾倒保护： 当杯子倾倒时，自动停止制冷，防止液体溢出或设备损坏（可选）。

2. 非功能性需求

• 可靠性：
  • 稳定性： 系统运行稳定可靠，不易崩溃或出现异常。
  • 耐用性： 产品能够经受日常使用，具有较长的使用寿命。
  • 抗干扰性： 系统能够抵抗外界电磁干扰，保证正常运行。
• 高效性：
  • 制冷效率： 制冷速度快，效率高，能够在短时间内达到目标温度。
  • 响应速度： 用户操作响应迅速，无明显延迟。
  • 低功耗： 在保证性能的前提下，尽可能降低功耗。
• 可扩展性：
  • 软件可升级： 系统软件支持升级，方便后续功能扩展和 bug 修复。
  • 硬件可扩展： 硬件设计预留扩展接口，方便未来增加新功能或模块（可选）。
• 易用性：
  • 操作简单： 用户操作简单直观，易于上手。
  • 界面友好： 显示界面清晰易懂，信息呈现简洁明了。
  • 维护方便： 系统维护简单方便，易于排查故障和更换部件（针对工程人员）。
• 安全性：
  • 电气安全： 符合相关电气安全标准，保障用户使用安全。
  • 材料安全： 产品材料无毒无害，符合食品级标准。
• 成本：
  • 物料成本控制： 在满足功能和性能要求的前提下，尽可能降低物料成本。
  • 生产成本控制： 易于生产和组装，降低生产成本。

二、系统架构设计

为了构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台，我推荐采用分层架构和模块化设计相结合的架构模式。这种架构模式具有良好的可维护性、可扩展性和可重用性。

1. 分层架构

系统架构可以分为以下几个层次：

• 硬件层 (Hardware Layer): 包括微控制器 (MCU)、制冷模块（例如：TEC 芯片）、温度传感器、按键、LED 指示灯、显示屏（可选）、电源管理芯片等硬件组件。
• 驱动层 (Driver Layer): 负责直接操作硬件，为上层软件提供统一的硬件访问接口。包括 GPIO 驱动、ADC 驱动、PWM 驱动、I2C/SPI 驱动（如果使用数字传感器或显示屏）、电源管理驱动等。
• 操作系统层 (Operating System Layer) (可选): 根据系统复杂度和实时性要求，可以选择是否使用实时操作系统 (RTOS)。对于“小北极冰冰杯”这类相对简单的应用，可以采用裸机 (Bare-Metal) 开发，或者使用轻量级的 RTOS，例如 FreeRTOS。RTOS 可以提供任务调度、资源管理、同步机制等功能，提高系统的实时性和可管理性。
• 核心服务层 (Core Service Layer): 实现系统的核心功能，包括温度控制算法、电源管理算法、用户交互逻辑等。这一层是系统的核心，负责协调各个模块的工作，实现系统的主要功能。
• 应用层 (Application Layer): 提供用户界面和应用逻辑，例如：按键处理、显示界面更新、状态机管理等。应用层直接与用户交互，并将用户操作转化为对核心服务层的调用。

2. 模块化设计

在每个层次内部，都应采用模块化设计，将系统划分为多个独立的模块，每个模块负责特定的功能。模块之间通过清晰定义的接口进行通信，降低模块之间的耦合度，提高系统的可维护性和可扩展性。

以下是一些建议的模块划分：

• 硬件抽象层 (HAL) 模块: 对底层硬件进行抽象，提供统一的硬件访问接口，隔离硬件差异，方便代码移植。
• 传感器驱动模块: 封装各种传感器的驱动，例如温度传感器驱动。
• 执行器驱动模块: 封装各种执行器的驱动，例如制冷模块 (TEC) 驱动、风扇驱动（可选）。
• 电源管理模块: 负责电源管理功能，例如电池电量监测、充电控制、低功耗管理等。
• 温度控制模块: 实现温度控制算法，例如 PID 控制、开关控制等。
• 用户界面模块: 负责用户界面显示和用户输入处理，例如按键扫描、LED 指示灯控制、显示屏驱动等。
• 状态机模块: 管理系统的运行状态，例如待机状态、制冷状态、故障状态等。
• 配置管理模块: 负责系统配置参数的管理，例如目标温度、制冷档位、定时时长等。

系统架构图示 (简化版):

+---------------------+
|    应用层 (Application Layer)    |
|   - 用户界面模块 (UI Module)     |
|   - 状态机模块 (State Machine Module) |
+---------------------+
|  核心服务层 (Core Service Layer)  |
|   - 温度控制模块 (Temperature Control Module) |
|   - 电源管理模块 (Power Management Module)  |
|   - 配置管理模块 (Configuration Module) |
+---------------------+
|  操作系统层 (OS Layer) (可选) |
|   - 任务调度 (Task Scheduling)      |
|   - 资源管理 (Resource Management)   |
|   - 同步机制 (Synchronization)     |
+---------------------+
|   驱动层 (Driver Layer)     |
|   - HAL 模块 (HAL Module)       |
|   - 传感器驱动 (Sensor Drivers)   |
|   - 执行器驱动 (Actuator Drivers)  |
|   - 电源管理驱动 (PMIC Driver)   |
+---------------------+
|   硬件层 (Hardware Layer)    |
|   - MCU, TEC, Sensor, Button, LED, Display, PMIC ... |
+---------------------+

三、技术选型

在技术选型方面，我们需要综合考虑性能、成本、功耗、开发难度、可靠性等因素。以下是一些建议的技术选型：

1. 微控制器 (MCU)

• 选择: 基于 ARM Cortex-M 系列的 32 位 MCU 是一个不错的选择。例如：STM32 系列、NXP LPC 系列、Microchip SAM 系列等。
• 理由:
  • 性能: 32 位 MCU 具有足够的处理能力，满足温度控制、用户交互等应用需求。
  • 成本: ARM Cortex-M 系列 MCU 价格适中，性价比较高。
  • 功耗: ARM Cortex-M 系列 MCU 具有低功耗特性，适合电池供电的应用。
  • 生态: ARM 生态系统完善，开发工具和资源丰富，方便开发和调试。
  • 外设: ARM Cortex-M 系列 MCU 集成了丰富的外设，例如 ADC、PWM、Timer、GPIO、I2C、SPI、UART 等，满足 “小北极冰冰杯” 的硬件需求。
• 具体型号 (示例): STM32G030C8T6 (经济型), STM32F103C8T6 (经典型), STM32L432KC (低功耗型) 等。

2. 制冷模块 (TEC - Thermoelectric Cooler)

• 选择: 半导体制冷片 (Peltier 芯片) 是常用的制冷模块。
• 理由:
  • 体积小巧: TEC 芯片体积小巧，易于集成到便携式设备中。
  • 制冷效率: TEC 芯片具有一定的制冷效率，能够满足快速制冷的需求。
  • 易于控制: 通过 PWM 控制 TEC 芯片的电流，可以调节制冷强度。
• 型号选择: 根据杯子大小和制冷功率需求选择合适的 TEC 芯片型号。例如：TEC1-12706, TEC1-12709 等。
• 散热: TEC 芯片在制冷的同时会产生热量，需要配合散热器和风扇 (可选) 进行散热，以提高制冷效率和可靠性。

3. 温度传感器

• 选择: 数字温度传感器 (例如：DS18B20, DHT11/DHT22, TMP102) 或热敏电阻 (NTC Thermistor) 都可以作为温度传感器。
• 理由:
  • 数字传感器: 精度高，易于使用，输出数字信号，可以直接与 MCU 的数字接口连接 (例如：GPIO, I2C)。
  • 热敏电阻: 成本低，灵敏度高，但需要 ADC 转换，并且精度相对较低。
• 具体选择: 根据精度要求和成本预算选择合适的温度传感器。对于“小北极冰冰杯”这类应用，DS18B20 或 TMP102 等数字传感器是较好的选择。

4. 显示屏 (可选)

• 选择: 段码 LCD 屏、OLED 屏 或 TFT LCD 屏 都可以作为显示屏。
• 理由:
  • 段码 LCD: 成本低，功耗低，显示内容有限，适合显示简单的数字和字符。
  • OLED: 显示效果好，对比度高，功耗相对较低，但成本较高。
  • TFT LCD: 显示内容丰富，色彩鲜艳，但功耗较高，成本也较高。
• 具体选择: 根据显示需求和成本预算选择合适的显示屏。对于“小北极冰冰杯”这类应用，段码 LCD 或小型 OLED 屏是较好的选择。如果不需要显示屏，也可以使用 LED 指示灯来指示设备状态。

5. 电源管理

• 选择: 锂电池供电，配合电源管理芯片 (PMIC - Power Management IC) 进行电源管理。
• 理由:
  • 便携性: 锂电池体积小，能量密度高，适合便携式设备。
  • 充电方便: 可以通过 USB 接口进行充电。
  • PMIC: 电源管理芯片可以提供稳压、过充保护、过放保护、短路保护等功能，提高电源系统的可靠性和安全性。
• PMIC 选择: 根据电池电压、电流需求和功能需求选择合适的 PMIC 芯片。例如：TP4056 (充电芯片), SY8008 (降压芯片) 等。

6. 操作系统 (可选)

• 选择: 如果系统复杂度较高，可以选择使用实时操作系统 (RTOS)，例如 FreeRTOS。如果系统相对简单，可以采用裸机 (Bare-Metal) 开发。
• 理由:
  • RTOS: 提供任务调度、资源管理、同步机制等功能，提高系统的实时性和可管理性，适合复杂的应用。
  • 裸机: 代码简洁，效率高，资源占用少，适合简单的应用。
• 对于“小北极冰冰杯”: 如果功能较为简单，例如只有基本的制冷和用户交互功能，可以采用裸机开发。如果后续需要增加更多复杂的功能，例如蓝牙连接、APP 控制等，可以考虑移植 FreeRTOS。

四、C 代码实现 (示例代码)

为了演示代码架构和实现细节，我将提供一个基于裸机开发的 C 代码示例。这个示例代码将涵盖 HAL 模块、驱动模块、核心服务模块和应用层模块，并包含详细的注释。

由于篇幅限制，我将逐步构建代码，并详细解释每个模块的功能和实现方式。

1. HAL 模块 (Hardware Abstraction Layer)

hal.h

#ifndef HAL_H
#define HAL_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// GPIO 定义
typedef enum {
    GPIO_PIN_0,
    GPIO_PIN_1,
    GPIO_PIN_2,
    GPIO_PIN_3,
    GPIO_PIN_4,
    GPIO_PIN_5,
    GPIO_PIN_6,
    GPIO_PIN_7,
    GPIO_PIN_8,
    GPIO_PIN_9,
    GPIO_PIN_10,
    GPIO_PIN_11,
    GPIO_PIN_12,
    GPIO_PIN_13,
    GPIO_PIN_14,
    GPIO_PIN_15,
    // ... 可以根据具体 MCU 添加更多 GPIO 引脚
    GPIO_PIN_MAX
} GPIO_PinTypeDef;

typedef enum {
    GPIO_MODE_INPUT,
    GPIO_MODE_OUTPUT,
    GPIO_MODE_ANALOG // 如果需要模拟输入
} GPIO_ModeTypeDef;

typedef enum {
    GPIO_PULL_NONE,
    GPIO_PULL_UP,
    GPIO_PULL_DOWN
} GPIO_PullTypeDef;

typedef enum {
    GPIO_STATE_RESET, // 低电平
    GPIO_STATE_SET    // 高电平
} GPIO_StateTypeDef;

// ADC 定义
typedef enum {
    ADC_CHANNEL_0,
    ADC_CHANNEL_1,
    ADC_CHANNEL_2,
    // ... 可以根据具体 MCU 添加更多 ADC 通道
    ADC_CHANNEL_MAX
} ADC_ChannelTypeDef;

// PWM 定义
typedef enum {
    PWM_CHANNEL_0,
    PWM_CHANNEL_1,
    PWM_CHANNEL_2,
    // ... 可以根据具体 MCU 添加更多 PWM 通道
    PWM_CHANNEL_MAX
} PWM_ChannelTypeDef;

// Timer 定义
typedef enum {
    TIMER_ID_0,
    TIMER_ID_1,
    TIMER_ID_2,
    // ... 可以根据具体 MCU 添加更多 Timer ID
    TIMER_ID_MAX
} Timer_IDTypeDef;

// HAL 初始化
void HAL_Init(void);

// GPIO 相关函数
void HAL_GPIO_Init(GPIO_PinTypeDef pin, GPIO_ModeTypeDef mode, GPIO_PullTypeDef pull);
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PinTypeDef pin, GPIO_StateTypeDef state);
GPIO_StateTypeDef HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PinTypeDef pin);

// ADC 相关函数
void HAL_ADC_Init(ADC_ChannelTypeDef channel);
uint16_t HAL_ADC_Read(ADC_ChannelTypeDef channel);

// PWM 相关函数
void HAL_PWM_Init(PWM_ChannelTypeDef channel, uint32_t frequency);
void HAL_PWM_SetDutyCycle(PWM_ChannelTypeDef channel, uint32_t dutyCycle);

// Timer 相关函数
void HAL_Timer_Init(Timer_IDTypeDef timer_id, uint32_t period_ms, void (*callback)(void));
void HAL_Timer_Start(Timer_IDTypeDef timer_id);
void HAL_Timer_Stop(Timer_IDTypeDef timer_id);
void HAL_Delay_ms(uint32_t ms); // 毫秒级延时函数

#endif // HAL_H

hal.c (示例，针对 STM32G030，需要根据具体 MCU 修改)

#include "hal.h"
#include "stm32g0xx.h" // STM32G0 系列头文件 (需要根据实际 MCU 替换)

// 时钟配置 (示例，需要根据实际 MCU 和时钟配置修改)
static void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
  }
}

// HAL 初始化
void HAL_Init(void)
{
    HAL_Init(); // 初始化 HAL 库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟

    // 使能 GPIO 时钟 (需要根据实际 MCU 和使用的 GPIO 口修改)
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    // 使能 ADC 时钟 (需要根据实际 MCU 和使用的 ADC 通道修改)
    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();

    // 使能 PWM 定时器时钟 (需要根据实际 MCU 和使用的 PWM 通道修改)
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); // 示例: TIM1 用于 PWM
}

// GPIO 初始化
void HAL_GPIO_Init(GPIO_PinTypeDef pin, GPIO_ModeTypeDef mode, GPIO_PullTypeDef pull)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_TypeDef* GPIOx;
    uint16_t GPIO_Pin;

    // 根据 pin 获取 GPIO 端口和引脚号 (需要根据实际 MCU 修改)
    if (pin >= GPIO_PIN_0 && pin <= GPIO_PIN_15) {
        if (pin <= GPIO_PIN_7) {
            GPIOx = GPIOA; // 假设 GPIO_PIN_0 - GPIO_PIN_7 在 GPIOA
        } else if (pin <= GPIO_PIN_15) {
            GPIOx = GPIOB; // 假设 GPIO_PIN_8 - GPIO_PIN_15 在 GPIOB
        } else {
            // ... 可以添加更多 GPIO 端口的处理
            return; // Invalid pin
        }
        GPIO_Pin = (1 << (pin % 8)); // 计算引脚掩码
    } else {
        return; // Invalid pin
    }

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_Pin;
    if (mode == GPIO_MODE_INPUT) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    } else if (mode == GPIO_MODE_OUTPUT) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
    } else if (mode == GPIO_MODE_ANALOG) {
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    }
    if (pull == GPIO_PULL_NONE) {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    } else if (pull == GPIO_PULL_UP) {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    } else if (pull == GPIO_PULL_DOWN) {
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    }
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速
    HAL_GPIO_Init_Ex(GPIOx, &GPIO_InitStruct);
}

// GPIO 写引脚
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PinTypeDef pin, GPIO_StateTypeDef state)
{
    GPIO_TypeDef* GPIOx;
    uint16_t GPIO_Pin;

    // 根据 pin 获取 GPIO 端口和引脚号 (需要根据实际 MCU 修改)
    if (pin >= GPIO_PIN_0 && pin <= GPIO_PIN_15) {
        if (pin <= GPIO_PIN_7) {
            GPIOx = GPIOA;
        } else if (pin <= GPIO_PIN_15) {
            GPIOx = GPIOB;
        } else {
            return; // Invalid pin
        }
        GPIO_Pin = (1 << (pin % 8));
    } else {
        return; // Invalid pin
    }

    HAL_GPIO_WritePin_Ex(GPIOx, GPIO_Pin, (GPIO_PinState)state);
}

// GPIO 读引脚
GPIO_StateTypeDef HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PinTypeDef pin)
{
    GPIO_TypeDef* GPIOx;
    uint16_t GPIO_Pin;

    // 根据 pin 获取 GPIO 端口和引脚号 (需要根据实际 MCU 修改)
    if (pin >= GPIO_PIN_0 && pin <= GPIO_PIN_15) {
        if (pin <= GPIO_PIN_7) {
            GPIOx = GPIOA;
        } else if (pin <= GPIO_PIN_15) {
            GPIOx = GPIOB;
        } else {
            return GPIO_STATE_RESET; // Invalid pin, 默认返回低电平
        }
        GPIO_Pin = (1 << (pin % 8));
    } else {
        return GPIO_STATE_RESET; // Invalid pin, 默认返回低电平
    }

    return (GPIO_StateTypeDef)HAL_GPIO_ReadPin_Ex(GPIOx, GPIO_Pin);
}

// ADC 初始化 (示例，需要根据实际 MCU 和 ADC 通道修改)
void HAL_ADC_Init(ADC_ChannelTypeDef channel)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    ADC_HandleTypeDef hadc; // ADC 句柄

    hadc.Instance = ADC1; // 使用 ADC1 (需要根据实际 MCU 修改)
    hadc.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV2;
    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
    hadc.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE;
    hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.NbrOfConversion = 1;
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
    hadc.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;
    hadc.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN;
    hadc.Init.OversamplingMode = DISABLE;
    if (HAL_ADC_Init_Ex(&hadc) != HAL_OK)
    {
        // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
    }

    // 配置 ADC 通道 (示例，需要根据实际 MCU 和 ADC 通道修改)
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // 假设使用 ADC 通道 0
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_2CYCLES_5;
    sConfig.SingleDiff = ADC_SINGLE_ENDED;
    sConfig.OffsetNumber = ADC_OFFSET_NONE;
    sConfig.Offset = 0;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel_Ex(&hadc, &sConfig) != HAL_OK)
    {
        // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
    }
}

// ADC 读取 (示例，需要根据实际 MCU 和 ADC 通道修改)
uint16_t HAL_ADC_Read(ADC_ChannelTypeDef channel)
{
    ADC_HandleTypeDef hadc; // ADC 句柄
    hadc.Instance = ADC1; // 使用 ADC1 (需要与初始化时一致)

    HAL_ADC_Start_Ex(&hadc, ADC_CHANNEL_0); // 启动 ADC 转换 (假设使用 ADC 通道 0)
    HAL_ADC_PollForConversion_Ex(&hadc, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
    return HAL_ADC_GetValue_Ex(&hadc); // 获取 ADC 值
}

// PWM 初始化 (示例，需要根据实际 MCU 和 PWM 通道修改)
void HAL_PWM_Init(PWM_ChannelTypeDef channel, uint32_t frequency)
{
    TIM_HandleTypeDef htim; // 定时器句柄
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim.Instance = TIM1; // 使用 TIM1 (需要根据实际 MCU 修改)
    htim.Init.Prescaler = 0;
    htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim.Init.Period = SystemCoreClock / frequency - 1; // 计算 Period 以达到目标频率
    htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim.Init.RepetitionCounter = 0;
    htim.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_PWM_Init_Ex(&htim) != HAL_OK)
    {
        // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
    }

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比为 0%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;

    // 配置 PWM 通道 (示例，假设使用 TIM1_CH1)
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel_Ex(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
    {
        // Error_Handler(); // 可以添加错误处理函数
    }

    HAL_TIM_PWM_Start_Ex(&htim, TIM_CHANNEL_1); // 启动 PWM 输出 (TIM1_CH1)
}

// PWM 设置占空比 (示例，需要根据实际 MCU 和 PWM 通道修改)
void HAL_PWM_SetDutyCycle(PWM_ChannelTypeDef channel, uint32_t dutyCycle)
{
    TIM_HandleTypeDef htim; // 定时器句柄
    htim.Instance = TIM1; // 使用 TIM1 (需要与初始化时一致)

    // 限制占空比范围 (0 - 100%)
    if (dutyCycle > 100) dutyCycle = 100;

    // 计算 PWM 脉冲宽度 (Pulse)
    uint32_t pulse = (uint32_t)(((uint64_t)dutyCycle * (htim.Init.Period + 1)) / 100);

    // 设置 PWM 占空比 (示例，假设使用 TIM1_CH1)
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}

// Timer 初始化 (示例，使用 SysTick 作为 Timer)
void HAL_Timer_Init(Timer_IDTypeDef timer_id, uint32_t period_ms, void (*callback)(void))
{
    // 假设使用 SysTick 作为 Timer, 仅支持 Timer_ID_0
    if (timer_id != TIMER_ID_0) return;

    // 配置 SysTick
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000 * period_ms); // 周期为 period_ms 毫秒

    // 设置回调函数 (需要全局变量或函数指针来保存回调函数)
    // ...  这里需要根据实际情况实现回调函数机制
    // 例如: 可以使用函数指针数组来存储不同 Timer ID 的回调函数
}

// Timer 启动 (示例，使用 SysTick)
void HAL_Timer_Start(Timer_IDTypeDef timer_id)
{
    // SysTick 在初始化时已经启动，这里可以留空或做一些启动标志设置
}

// Timer 停止 (示例，使用 SysTick)
void HAL_Timer_Stop(Timer_IDTypeDef timer_id)
{
    // 停止 SysTick 定时器 (如果需要停止)
    // ...  可以考虑禁用 SysTick 中断
}

// 毫秒级延时函数 (使用 HAL 库的 HAL_Delay 函数)
void HAL_Delay_ms(uint32_t ms)
{
    HAL_Delay(ms);
}

// SysTick 中断处理函数 (示例，需要添加到 stm32g0xx_it.c 或类似的中断处理文件中)
void SysTick_Handler(void)
{
    HAL_IncTick(); // HAL 库提供的 SysTick 计数器递增函数
    // ...  在这里调用 Timer_ID_0 的回调函数 (如果使用了回调函数机制)
    // 例如:  if (timer0_callback != NULL) { timer0_callback(); }
}

代码解释:

• hal.h: 定义了 HAL 模块的接口，包括 GPIO、ADC、PWM、Timer 等硬件的抽象定义和函数声明。
• hal.c: 实现了 HAL 模块的具体功能，直接操作 MCU 的硬件寄存器。
  • HAL_Init(): 初始化 HAL 模块，包括系统时钟配置、GPIO 时钟使能、ADC 时钟使能、PWM 定时器时钟使能等。
  • HAL_GPIO_Init(): 初始化 GPIO 引脚，设置引脚模式 (输入/输出/模拟)、上下拉电阻等。
  • HAL_GPIO_WritePin(): 设置 GPIO 引脚的输出电平 (高/低)。
  • HAL_GPIO_ReadPin(): 读取 GPIO 引脚的输入电平。
  • HAL_ADC_Init(): 初始化 ADC 通道，配置 ADC 参数 (分辨率、采样时间等)。
  • HAL_ADC_Read(): 读取 ADC 通道的转换结果。
  • HAL_PWM_Init(): 初始化 PWM 通道，设置 PWM 频率。
  • HAL_PWM_SetDutyCycle(): 设置 PWM 通道的占空比。
  • HAL_Timer_Init(): 初始化 Timer，设置定时周期和回调函数 (示例中使用 SysTick)。
  • HAL_Timer_Start() / HAL_Timer_Stop(): 启动/停止 Timer (示例中使用 SysTick，实际应用中可能需要更复杂的 Timer 控制逻辑)。
  • HAL_Delay_ms(): 毫秒级延时函数。
  • SysTick_Handler(): SysTick 中断处理函数，用于 HAL 库的系统滴答定时器和用户自定义的 Timer 回调 (示例代码中回调机制需要进一步完善)。

2. 驱动模块 (Driver Layer)

接下来，我们将实现温度传感器驱动、TEC 驱动、按键驱动和 LED 指示灯驱动等。

温度传感器驱动 (示例: DS18B20)

ds18b20.h

#ifndef DS18B20_H
#define DS18B20_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// DS18B20 初始化
bool DS18B20_Init(GPIO_PinTypeDef data_pin);

// 读取温度 (摄氏度，单位: 0.1℃)
int16_t DS18B20_ReadTemperature(void);

#endif // DS18B20_H

ds18b20.c (示例代码，需要根据 DS18B20 的时序和通信协议实现)

#include "ds18b20.h"
#include "hal.h"
#include "delay.h" // 需要一个微秒级延时函数 (delay.h 和 delay.c 需要自行实现)

#define DS18B20_DATA_PIN  GPIO_PIN_0 // 示例: DS18B20 数据线连接到 GPIO_PIN_0 (需要根据实际硬件连接修改)

// 初始化 DS18B20
bool DS18B20_Init(GPIO_PinTypeDef data_pin)
{
    // 初始化数据引脚为输出模式
    HAL_GPIO_Init(data_pin, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PULL_UP);
    return true; // 简化的初始化，实际应用中可能需要更复杂的初始化流程
}

// 1-Wire 总线复位
static bool DS18B20_Reset(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_RESET); // 拉低总线
    Delay_us(480); // 延时 480us
    HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_SET);   // 释放总线
    Delay_us(60);  // 延时 60us
    bool presence = (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_DATA_PIN) == GPIO_STATE_RESET); // 检测存在脉冲
    Delay_us(480); // 延时 480us
    return presence;
}

// 写入一个字节
static void DS18B20_WriteByte(uint8_t data)
{
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if ((data >> i) & 0x01) { // Write '1'
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_RESET); // 拉低总线
            Delay_us(2);
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_SET);   // 释放总线
            Delay_us(60);
        } else {               // Write '0'
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_RESET); // 拉低总线
            Delay_us(60);
            HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_SET);   // 释放总线
            Delay_us(2);
        }
    }
}

// 读取一个字节
static uint8_t DS18B20_ReadByte(void)
{
    uint8_t data = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_RESET); // 拉低总线
        Delay_us(2);
        HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DATA_PIN, GPIO_STATE_SET);   // 释放总线
        Delay_us(15); // 延时 15us
        if (HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_DATA_PIN) == GPIO_STATE_SET) { // 读取数据位
            data |= (1 << i);
        }
        Delay_us(45); // 延时 45us
    }
    return data;
}

// 读取温度 (摄氏度，单位: 0.1℃)
int16_t DS18B20_ReadTemperature(void)
{
    int16_t temperature = 0;
    uint8_t temp_l, temp_h;

    if (DS18B20_Reset()) { // 复位
        DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
        DS18B20_WriteByte(0x44); // Convert T (启动温度转换)
        Delay_ms(750); // 等待转换完成 (最大 750ms)

        DS18B20_Reset();      // 再次复位
        DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
        DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad (读取暂存器)

        temp_l = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度低字节
        temp_h = DS18B20_ReadByte(); // 读取温度高字节

        temperature = ((int16_t)temp_h << 8) | temp_l; // 合并温度数据
    } else {
        // 复位失败，可能传感器未连接或故障
        temperature = -999; // 返回错误值 (例如 -999 表示读取失败)
    }
    return temperature;
}

TEC 驱动 (Thermoelectric Cooler)

tec_driver.h

#ifndef TEC_DRIVER_H
#define TEC_DRIVER_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// TEC 初始化
bool TEC_Init(PWM_ChannelTypeDef pwm_channel);

// 设置 TEC 制冷功率 (范围: 0 - 100%)
void TEC_SetPower(uint8_t power_percent);

// 关闭 TEC 制冷
void TEC_Disable(void);

#endif // TEC_DRIVER_H

tec_driver.c

#include "tec_driver.h"
#include "hal.h"

#define TEC_PWM_CHANNEL PWM_CHANNEL_0 // 示例: TEC 控制 PWM 通道为 PWM_CHANNEL_0 (需要根据实际硬件连接修改)
#define TEC_PWM_FREQUENCY 10000       // 示例: PWM 频率为 10kHz (可以根据 TEC 芯片和驱动电路调整)

// 初始化 TEC 驱动
bool TEC_Init(PWM_ChannelTypeDef pwm_channel)
{
    HAL_PWM_Init(pwm_channel, TEC_PWM_FREQUENCY);
    return true;
}

// 设置 TEC 制冷功率 (范围: 0 - 100%)
void TEC_SetPower(uint8_t power_percent)
{
    if (power_percent > 100) power_percent = 100;
    HAL_PWM_SetDutyCycle(TEC_PWM_CHANNEL, power_percent);
}

// 关闭 TEC 制冷
void TEC_Disable(void)
{
    HAL_PWM_SetDutyCycle(TEC_PWM_CHANNEL, 0); // 设置占空比为 0% 关闭 PWM 输出
}

按键驱动 (示例: 独立按键)

button_driver.h

#ifndef BUTTON_DRIVER_H
#define BUTTON_DRIVER_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

typedef enum {
    BUTTON_POWER,
    BUTTON_COOL_LEVEL_UP,
    BUTTON_COOL_LEVEL_DOWN,
    BUTTON_TIMER,
    BUTTON_MAX // 用于数组大小定义
} Button_TypeDef;

typedef enum {
    BUTTON_STATE_RELEASED,
    BUTTON_STATE_PRESSED
} ButtonState_TypeDef;

// 按键初始化
bool Button_Init(Button_TypeDef button, GPIO_PinTypeDef gpio_pin);

// 获取按键状态
ButtonState_TypeDef Button_GetState(Button_TypeDef button);

#endif // BUTTON_DRIVER_H

button_driver.c

#include "button_driver.h"
#include "hal.h"

#define BUTTON_POWER_PIN GPIO_PIN_1  // 示例: 电源按键连接到 GPIO_PIN_1 (需要根据实际硬件连接修改)
#define BUTTON_COOL_LEVEL_UP_PIN GPIO_PIN_2 // 示例: 制冷档位增加按键连接到 GPIO_PIN_2
#define BUTTON_COOL_LEVEL_DOWN_PIN GPIO_PIN_3 // 示例: 制冷档位减少按键连接到 GPIO_PIN_3
#define BUTTON_TIMER_PIN GPIO_PIN_4 // 示例: 定时按键连接到 GPIO_PIN_4

// 按键 GPIO 引脚配置
static const GPIO_PinTypeDef button_gpio_pins[BUTTON_MAX] = {
    BUTTON_POWER_PIN,
    BUTTON_COOL_LEVEL_UP_PIN,
    BUTTON_COOL_LEVEL_DOWN_PIN,
    BUTTON_TIMER_PIN
};

// 按键初始化
bool Button_Init(Button_TypeDef button, GPIO_PinTypeDef gpio_pin)
{
    if (button >= BUTTON_MAX) return false; // Invalid button type

    HAL_GPIO_Init(gpio_pin, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PULL_UP); // 初始化为输入，上拉电阻
    return true;
}

// 获取按键状态
ButtonState_TypeDef Button_GetState(Button_TypeDef button)
{
    if (button >= BUTTON_MAX) return BUTTON_STATE_RELEASED; // Invalid button type, 默认释放状态

    if (HAL_GPIO_ReadPin(button_gpio_pins[button]) == GPIO_STATE_RESET) { // 按键按下 (低电平有效，根据硬件连接可能需要调整)
        return BUTTON_STATE_PRESSED;
    } else {
        return BUTTON_STATE_RELEASED;
    }
}

LED 指示灯驱动 (示例: 简单 LED 控制)

led_driver.h

#ifndef LED_DRIVER_H
#define LED_DRIVER_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

typedef enum {
    LED_POWER,
    LED_COOLING,
    LED_ERROR,
    LED_MAX // 用于数组大小定义
} LED_TypeDef;

// LED 初始化
bool LED_Init(LED_TypeDef led, GPIO_PinTypeDef gpio_pin);

// 控制 LED 状态
void LED_SetState(LED_TypeDef led, bool on);

#endif // LED_DRIVER_H

led_driver.c

#include "led_driver.h"
#include "hal.h"

#define LED_POWER_PIN GPIO_PIN_5    // 示例: 电源 LED 连接到 GPIO_PIN_5 (需要根据实际硬件连接修改)
#define LED_COOLING_PIN GPIO_PIN_6  // 示例: 制冷 LED 连接到 GPIO_PIN_6
#define LED_ERROR_PIN GPIO_PIN_7    // 示例: 错误 LED 连接到 GPIO_PIN_7

// LED GPIO 引脚配置
static const GPIO_PinTypeDef led_gpio_pins[LED_MAX] = {
    LED_POWER_PIN,
    LED_COOLING_PIN,
    LED_ERROR_PIN
};

// LED 初始化
bool LED_Init(LED_TypeDef led, GPIO_PinTypeDef gpio_pin)
{
    if (led >= LED_MAX) return false; // Invalid LED type

    HAL_GPIO_Init(gpio_pin, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PULL_NONE); // 初始化为输出，无上下拉
    LED_SetState(led, false); // 默认关闭 LED
    return true;
}

// 控制 LED 状态
void LED_SetState(LED_TypeDef led, bool on)
{
    if (led >= LED_MAX) return; // Invalid LED type

    if (on) {
        HAL_GPIO_WritePin(led_gpio_pins[led], GPIO_STATE_SET); // 点亮 LED (高电平点亮，根据硬件连接可能需要调整)
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(led_gpio_pins[led], GPIO_STATE_RESET); // 关闭 LED
    }
}

3. 核心服务模块 (Core Service Layer)

核心服务模块将实现温度控制、电源管理和配置管理等功能。

温度控制模块

temperature_control.h

#ifndef TEMPERATURE_CONTROL_H
#define TEMPERATURE_CONTROL_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 制冷档位定义
typedef enum {
    COOL_LEVEL_OFF,
    COOL_LEVEL_LOW,
    COOL_LEVEL_MEDIUM,
    COOL_LEVEL_HIGH,
    COOL_LEVEL_MAX
} CoolLevel_TypeDef;

// 温度控制模块初始化
bool TemperatureControl_Init(void);

// 设置目标温度 (单位: 摄氏度)
void TemperatureControl_SetTargetTemperature(int16_t target_temp);

// 获取当前温度 (单位: 摄氏度)
int16_t TemperatureControl_GetCurrentTemperature(void);

// 设置制冷档位
void TemperatureControl_SetCoolLevel(CoolLevel_TypeDef level);

// 获取当前制冷档位
CoolLevel_TypeDef TemperatureControl_GetCoolLevel(void);

// 温度控制任务处理 (周期性调用)
void TemperatureControl_Task(void);

#endif // TEMPERATURE_CONTROL_H

temperature_control.c (示例代码，使用简单的开关控制，实际应用中可以考虑 PID 控制)

#include "temperature_control.h"
#include "ds18b20.h"
#include "tec_driver.h"
#include "led_driver.h"

#define TARGET_TEMPERATURE_LOW   80  // 目标温度 (弱冷档位) 示例: 8.0℃ (单位: 0.1℃)
#define TARGET_TEMPERATURE_MEDIUM 50 // 目标温度 (中冷档位) 示例: 5.0℃
#define TARGET_TEMPERATURE_HIGH  20  // 目标温度 (强冷档位) 示例: 2.0℃

#define TEMPERATURE_HYSTERESIS 5    // 温度滞后量 示例: 0.5℃ (单位: 0.1℃)

static CoolLevel_TypeDef current_cool_level = COOL_LEVEL_OFF; // 当前制冷档位
static int16_t target_temperature = 0;                  // 目标温度

// 温度控制模块初始化
bool TemperatureControl_Init(void)
{
    DS18B20_Init(GPIO_PIN_0); // 初始化温度传感器 (需要根据实际硬件连接修改)
    TEC_Init(PWM_CHANNEL_0);   // 初始化 TEC 驱动 (需要根据实际硬件连接修改)
    LED_Init(LED_COOLING, GPIO_PIN_6); // 初始化制冷 LED (需要根据实际硬件连接修改)
    return true;
}

// 设置目标温度 (单位: 摄氏度)
void TemperatureControl_SetTargetTemperature(int16_t target_temp)
{
    target_temperature = target_temp * 10; // 转换为 0.1℃ 单位
}

// 获取当前温度 (单位: 摄氏度)
int16_t TemperatureControl_GetCurrentTemperature(void)
{
    int16_t raw_temp = DS18B20_ReadTemperature();
    if (raw_temp == -999) {
        // 温度读取失败
        LED_SetState(LED_ERROR, true); // 点亮错误 LED
        return -999;
    } else {
        LED_SetState(LED_ERROR, false); // 关闭错误 LED
        return raw_temp / 10;         // 转换为摄氏度 (整数部分)
    }
}

// 设置制冷档位
void TemperatureControl_SetCoolLevel(CoolLevel_TypeDef level)
{
    current_cool_level = level;
    switch (level) {
        case COOL_LEVEL_LOW:
            target_temperature = TARGET_TEMPERATURE_LOW;
            break;
        case COOL_LEVEL_MEDIUM:
            target_temperature = TARGET_TEMPERATURE_MEDIUM;
            break;
        case COOL_LEVEL_HIGH:
            target_temperature = TARGET_TEMPERATURE_HIGH;
            break;
        case COOL_LEVEL_OFF:
        default:
            target_temperature = 0; // 关闭制冷时，目标温度可以设置为任意值 (不影响实际控制)
            break;
    }
}

// 获取当前制冷档位
CoolLevel_TypeDef TemperatureControl_GetCoolLevel(void)
{
    return current_cool_level;
}

// 温度控制任务处理 (周期性调用)
void TemperatureControl_Task(void)
{
    int16_t current_temp = DS18B20_ReadTemperature(); // 读取当前温度

    if (current_cool_level == COOL_LEVEL_OFF) {
        TEC_Disable(); // 关闭 TEC
        LED_SetState(LED_COOLING, false); // 关闭制冷 LED
    } else if (current_temp != -999) { // 温度读取成功
        if (current_temp > target_temperature + TEMPERATURE_HYSTERESIS) {
            // 当前温度高于目标温度 + 滞后量，启动制冷
            LED_SetState(LED_COOLING, true); // 点亮制冷 LED
            switch (current_cool_level) {
                case COOL_LEVEL_LOW:
                    TEC_SetPower(30); // 弱冷功率 (示例值，需要根据实际 TEC 芯片和效果调整)
                    break;
                case COOL_LEVEL_MEDIUM:
                    TEC_SetPower(60); // 中冷功率
                    break;
                case COOL_LEVEL_HIGH:
                    TEC_SetPower(90); // 强冷功率
                    break;
                default:
                    TEC_Disable();
                    LED_SetState(LED_COOLING, false);
                    break;
            }
        } else if (current_temp < target_temperature - TEMPERATURE_HYSTERESIS) {
            // 当前温度低于目标温度 - 滞后量，停止制冷 (或降低功率，如果使用 PID 控制)
            TEC_Disable(); // 关闭 TEC (或降低功率，如果使用 PID 控制)
            LED_SetState(LED_COOLING, false); // 关闭制冷 LED
        } else {
            // 当前温度在目标温度范围内，保持当前制冷状态 (或微调功率，如果使用 PID 控制)
            // ... 可以根据实际需求添加更精细的控制逻辑
        }
    }
}

电源管理模块 (简易示例)

power_management.h

#ifndef POWER_MANAGEMENT_H
#define POWER_MANAGEMENT_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 电源管理模块初始化
bool PowerManagement_Init(void);

// 获取电池电量百分比 (0-100%)
uint8_t PowerManagement_GetBatteryLevel(void);

// 电源管理任务处理 (周期性调用)
void PowerManagement_Task(void);

#endif // POWER_MANAGEMENT_H

power_management.c (简易示例，使用 ADC 模拟电池电压检测)

#include "power_management.h"
#include "hal.h"

#define BATTERY_VOLTAGE_ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_1 // 示例: 电池电压检测 ADC 通道为 ADC_CHANNEL_1 (需要根据实际硬件连接修改)
#define BATTERY_FULL_VOLTAGE 4.2f           // 电池满电电压 (示例值，需要根据实际电池类型修改)
#define BATTERY_EMPTY_VOLTAGE 3.3f          // 电池低电电压 (示例值，需要根据实际电池类型修改)

// 电源管理模块初始化
bool PowerManagement_Init(void)
{
    HAL_ADC_Init(BATTERY_VOLTAGE_ADC_CHANNEL); // 初始化 ADC 通道
    return true;
}

// 获取电池电量百分比 (0-100%)
uint8_t PowerManagement_GetBatteryLevel(void)
{
    uint16_t adc_value = HAL_ADC_Read(BATTERY_VOLTAGE_ADC_CHANNEL); // 读取 ADC 值
    float voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4095.0f * 2.0f; // 假设分压电阻比例为 1:1, 转换为电压值 (需要根据实际电路修改)

    if (voltage >= BATTERY_FULL_VOLTAGE) return 100;
    if (voltage <= BATTERY_EMPTY_VOLTAGE) return 0;

    return (uint8_t)(((voltage - BATTERY_EMPTY_VOLTAGE) / (BATTERY_FULL_VOLTAGE - BATTERY_EMPTY_VOLTAGE)) * 100);
}

// 电源管理任务处理 (周期性调用)
void PowerManagement_Task(void)
{
    uint8_t battery_level = PowerManagement_GetBatteryLevel();
    // ... 可以根据电池电量进行低电量报警、自动关机等操作
    if (battery_level <= 10) {
        // 低电量报警 (例如: LED 闪烁提示)
        // ...
    }
}

配置管理模块 (简易示例)

configuration_manager.h

#ifndef CONFIGURATION_MANAGER_H
#define CONFIGURATION_MANAGER_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include "temperature_control.h"

// 配置管理模块初始化
bool ConfigurationManager_Init(void);

// 获取制冷档位
CoolLevel_TypeDef ConfigurationManager_GetCoolLevel(void);

// 设置制冷档位
void ConfigurationManager_SetCoolLevel(CoolLevel_TypeDef level);

// 获取定时时长 (单位: 分钟)
uint8_t ConfigurationManager_GetTimerDuration(void);

// 设置定时时长 (单位: 分钟)
void ConfigurationManager_SetTimerDuration(uint8_t duration);

// 保存配置 (例如: 保存到 Flash 或 EEPROM)
bool ConfigurationManager_SaveConfig(void);

// 加载配置 (从 Flash 或 EEPROM 加载)
bool ConfigurationManager_LoadConfig(void);

#endif // CONFIGURATION_MANAGER_H

configuration_manager.c (简易示例，配置数据保存在 RAM 中，实际应用中需要保存到 Flash/EEPROM)

#include "configuration_manager.h"

static CoolLevel_TypeDef saved_cool_level = COOL_LEVEL_MEDIUM; // 默认制冷档位
static uint8_t saved_timer_duration = 60;                 // 默认定时时长 (60 分钟)

// 配置管理模块初始化
bool ConfigurationManager_Init(void)
{
    ConfigurationManager_LoadConfig(); // 加载配置
    return true;
}

// 获取制冷档位
CoolLevel_TypeDef ConfigurationManager_GetCoolLevel(void)
{
    return saved_cool_level;
}

// 设置制冷档位
void ConfigurationManager_SetCoolLevel(CoolLevel_TypeDef level)
{
    saved_cool_level = level;
    ConfigurationManager_SaveConfig(); // 保存配置
}

// 获取定时时长 (单位: 分钟)
uint8_t ConfigurationManager_GetTimerDuration(void)
{
    return saved_timer_duration;
}

// 设置定时时长 (单位: 分钟)
void ConfigurationManager_SetTimerDuration(uint8_t duration)
{
    saved_timer_duration = duration;
    ConfigurationManager_SaveConfig(); // 保存配置
}

// 保存配置 (示例: 保存到 RAM，实际应用需要保存到 Flash/EEPROM)
bool ConfigurationManager_SaveConfig(void)
{
    // ...  实际应用中需要将配置数据保存到 Flash 或 EEPROM
    // 例如: 使用 Flash 驱动或 EEPROM 驱动将配置数据写入存储器
    return true; // 简易示例，直接返回成功
}

// 加载配置 (示例: 从 RAM 加载，实际应用需要从 Flash/EEPROM 加载)
bool ConfigurationManager_LoadConfig(void)
{
    // ...  实际应用中需要从 Flash 或 EEPROM 加载配置数据
    // 例如: 使用 Flash 驱动或 EEPROM 驱动从存储器读取配置数据
    // 这里简易示例，直接使用默认值，或者从 RAM 中加载 (如果之前保存过)
    return true; // 简易示例，直接返回成功
}

4. 应用层模块 (Application Layer)

应用层模块将实现用户界面逻辑和状态机管理。

用户界面模块

user_interface.h

#ifndef USER_INTERFACE_H
#define USER_INTERFACE_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 用户界面模块初始化
bool UserInterface_Init(void);

// 用户界面任务处理 (周期性调用)
void UserInterface_Task(void);

#endif // USER_INTERFACE_H

user_interface.c

#include "user_interface.h"
#include "button_driver.h"
#include "led_driver.h"
#include "temperature_control.h"
#include "configuration_manager.h"
#include "hal.h"

#define BUTTON_DEBOUNCE_DELAY_MS 50 // 按键消抖延时 (50ms)

static CoolLevel_TypeDef current_cool_level_ui = COOL_LEVEL_OFF; // UI 当前显示的制冷档位

// 用户界面模块初始化
bool UserInterface_Init(void)
{
    Button_Init(BUTTON_POWER, GPIO_PIN_1);            // 初始化电源按键
    Button_Init(BUTTON_COOL_LEVEL_UP, GPIO_PIN_2);     // 初始化制冷档位增加按键
    Button_Init(BUTTON_COOL_LEVEL_DOWN, GPIO_PIN_3);   // 初始化制冷档位减少按键
    Button_Init(BUTTON_TIMER, GPIO_PIN_4);            // 初始化定时按键

    LED_Init(LED_POWER, GPIO_PIN_5);             // 初始化电源 LED
    LED_Init(LED_COOLING, GPIO_PIN_6);           // 初始化制冷 LED
    LED_Init(LED_ERROR, GPIO_PIN_7);             // 初始化错误 LED

    LED_SetState(LED_POWER, true); // 开机默认点亮电源 LED

    current_cool_level_ui = ConfigurationManager_GetCoolLevel(); // 从配置加载制冷档位
    TemperatureControl_SetCoolLevel(current_cool_level_ui);      // 设置制冷档位

    return true;
}

// 按键事件处理函数 (示例)
static void HandleButtonEvent(Button_TypeDef button)
{
    switch (button) {
        case BUTTON_POWER:
            // 电源按键事件处理 (例如: 开关机逻辑)
            LED_SetState(LED_POWER, !HAL_GPIO_ReadPin(LED_POWER_PIN)); // 切换电源 LED 状态
            if (HAL_GPIO_ReadPin(LED_POWER_PIN) == GPIO_STATE_RESET) {
                // 关机逻辑 (例如: 关闭所有模块，进入低功耗模式)
                TEC_Disable();
                LED_SetState(LED_COOLING, false);
                TemperatureControl_SetCoolLevel(COOL_LEVEL_OFF);
            } else {
                // 开机逻辑 (例如: 初始化模块，恢复上次状态)
                UserInterface_Init(); // 重新初始化 UI (简易示例)
                TemperatureControl_SetCoolLevel(current_cool_level_ui); // 恢复制冷档位
            }
            break;
        case BUTTON_COOL_LEVEL_UP:
            // 制冷档位增加按键事件处理
            if (current_cool_level_ui < COOL_LEVEL_HIGH) {
                current_cool_level_ui++;
            } else {
                current_cool_level_ui = COOL_LEVEL_OFF; // 循环到 OFF
            }
            ConfigurationManager_SetCoolLevel(current_cool_level_ui); // 保存制冷档位
            TemperatureControl_SetCoolLevel(current_cool_level_ui);      // 设置制冷档位
            // ...  可以添加 UI 更新，例如显示当前档位
            break;
        case BUTTON_COOL_LEVEL_DOWN:
            // 制冷档位减少按键事件处理
            if (current_cool_level_ui > COOL_LEVEL_OFF) {
                current_cool_level_ui--;
            } else {
                current_cool_level_ui = COOL_LEVEL_HIGH; // 循环到 HIGH
            }
            ConfigurationManager_SetCoolLevel(current_cool_level_ui); // 保存制冷档位
            TemperatureControl_SetCoolLevel(current_cool_level_ui);      // 设置制冷档位
            // ...  可以添加 UI 更新，例如显示当前档位
            break;
        case BUTTON_TIMER:
            // 定时按键事件处理 (例如: 切换定时时长)
            uint8_t current_timer_duration = ConfigurationManager_GetTimerDuration();
            if (current_timer_duration == 30) {
                ConfigurationManager_SetTimerDuration(60);
            } else if (current_timer_duration == 60) {
                ConfigurationManager_SetTimerDuration(90);
            } else {
                ConfigurationManager_SetTimerDuration(30); // 循环到 30 分钟
            }
            // ...  可以添加 UI 更新，例如显示当前定时时长
            break;
        default:
            break;
    }
}

// 用户界面任务处理 (周期性调用)
void UserInterface_Task(void)
{
    static ButtonState_TypeDef last_button_state[BUTTON_MAX] = {BUTTON_STATE_RELEASED};
    static uint32_t last_button_press_time[BUTTON_MAX] = {0};

    for (int i = 0; i < BUTTON_MAX; i++) {
        ButtonState_TypeDef current_state = Button_GetState((Button_TypeDef)i);
        if (current_state == BUTTON_STATE_PRESSED) {
            if (last_button_state[i] == BUTTON_STATE_RELEASED) {
                // 按键按下事件 (上升沿检测)
                if (HAL_GetTick() - last_button_press_time[i] > BUTTON_DEBOUNCE_DELAY_MS) {
                    HandleButtonEvent((Button_TypeDef)i); // 处理按键事件
                    last_button_press_time[i] = HAL_GetTick(); // 更新按键按下时间
                }
            }
            last_button_state[i] = BUTTON_STATE_PRESSED;
        } else {
            last_button_state[i] = BUTTON_STATE_RELEASED;
        }
    }
}

5. 主程序 (main.c)

main.c

#include "hal.h"
#include "user_interface.h"
#include "temperature_control.h"
#include "power_management.h"
#include "configuration_manager.h"

int main(void)
{
    HAL_Init(); // 初始化 HAL 模块
    ConfigurationManager_Init(); // 初始化配置管理模块
    PowerManagement_Init(); // 初始化电源管理模块
    TemperatureControl_Init(); // 初始化温度控制模块
    UserInterface_Init(); // 初始化用户界面模块

    while (1) {
        UserInterface_Task();         // 用户界面任务处理
        TemperatureControl_Task();      // 温度控制任务处理
        PowerManagement_Task();       // 电源管理任务处理
        // ... 可以添加其他周期性任务
        HAL_Delay_ms(10); // 周期性任务延时 (10ms)
    }
}

五、测试验证

测试验证是确保系统质量的关键环节。我们需要进行单元测试、集成测试和系统测试，并覆盖功能性需求和非功能性需求。

• 单元测试: 针对每个模块进行独立测试，例如测试温度传感器驱动是否能够正确读取温度，TEC 驱动是否能够正确控制制冷功率，按键驱动是否能够正确检测按键状态等。
• 集成测试: 将各个模块集成在一起进行测试，例如测试温度控制模块和 TEC 驱动模块的协同工作是否正常，用户界面模块和按键驱动模块的交互是否流畅等。
• 系统测试: 对整个系统进行全面测试，模拟用户实际使用场景，验证系统的功能、性能、可靠性、易用性等是否满足需求。
• 压力测试: 在极限条件下测试系统的稳定性，例如长时间高负荷运行、频繁开关机、异常输入等。
• 功耗测试: 测试系统的功耗，评估电池续航时间是否满足要求。
• 可靠性测试: 进行长时间运行测试，评估系统的可靠性和稳定性。

六、维护升级

• 软件维护: 通过模块化设计和清晰的代码注释，方便后续的代码维护和 bug 修复。
• 固件升级: 预留固件升级接口 (例如：USB 接口、OTA 升级)，方便后续的功能升级和 bug 修复。
• 硬件维护: 采用模块化硬件设计，方便故障排查和部件更换。

总结

以上代码示例和架构设计方案为“小北极冰冰杯”嵌入式系统的开发提供了一个全面的参考框架。 实际项目中，代码需要根据具体的硬件平台、功能需求和性能指标进行调整和优化。 通过采用分层架构、模块化设计、清晰的接口定义和完善的测试验证流程，我们可以构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台，为用户带来优质的产品体验。

请注意：

• 代码示例仅为演示目的，可能不完整或未经过充分测试。 在实际项目中，需要根据具体硬件和需求进行详细的开发和测试。
• 硬件抽象层 (HAL) 代码需要根据具体的 MCU 平台进行适配。 示例代码针对 STM32G0 系列 MCU，如果使用其他 MCU，需要修改 HAL 层的代码。
• 驱动代码 (例如 DS18B20 驱动) 需要根据具体的传感器和执行器的规格书进行实现。 示例代码仅为参考，需要根据实际硬件连接和时序要求进行调整。
• 温度控制算法示例使用了简单的开关控制，实际应用中可以考虑使用 PID 控制等更高级的控制算法，以提高温度控制的精度和稳定性。
• 电源管理模块和配置管理模块的示例较为简易，实际应用中需要根据具体需求进行完善，例如添加低功耗模式、充电管理、数据存储等功能。
• 这里只是展示了核心架构和部分关键代码，实际完整项目代码量会更多，包括更完善的错误处理、异常处理、更丰富的功能模块和更详细的注释。

希望这份详细的解答能够帮助您理解嵌入式系统开发的流程和关键技术，并为您的“小北极冰冰杯”项目提供有价值的参考。