STM32F103C8T6过零检测与可控硅触发调光方案详解

简介：基于STM32F103C8T6的PWM控制220V调光程序，同时集成遥控解码与遥控调光功能，是一套可直接参考的嵌入式应用方案。面向正在学习STM32、PWM调光或红外/射频遥控解码的开发者与电子爱好者，可帮助理解从MCU配置到负载驱动的完整链路。压缩包共182个文件，总体积3.76MB，包含大量C源文件与头文件、Keil工程文件、编译中间文件以及PDF原理图，覆盖定时器输出、Flash读写、RCC配置等底层驱动。目前已获得2104人次学习下载。程序通过PWM占空比调节220V灯亮度，遥控解码部分可捕获并解析遥控器编码，用于远程控制；同时利用内部Flash保存上次亮度，上电自动恢复，提升交互体验。附带的原理图清楚展示了STM32F103C8T6与PWM驱动电路、遥控接收模块的连接关系，配合源码便于自行搭建和调试，对掌握STM32定时器PWM应用、输入捕获解码及非易失性存储具有实际参考价值。

1. 从过零检测到可控硅触发：这个STM32调光方案解决了什么问题

当你想用 STM32F103C8T6 做 220V 调光时，最容易翻车的地方不是 PWM 输出，而是不知道过零检测、触发角、遥控解码这三件事怎么配合。这份程序包把三件事做成了可直接烧录的工程：以单片机检测交流过零时刻，产生相位可控的 PWM 脉冲驱动可控硅，同时用红外遥控解码来调整亮度。它适合手里有最小系统板、想抄作业的人，尤其是刚接触强电调光和 NEC 协议的新手。不需要从零写协议栈，改改引脚和时间参数就能跑起来。

2. 硬件接线和资源包里的内容：先看懂这套方案的三个关键模块

这一章先把硬件底子讲清楚。只看代码不看接线，后面烧录完大概率会怀疑人生。整个方案可以拆成三条链路：交流过零检测、可控硅触发、红外遥控解码。这三条链路各自对应一组引脚和一套定时器，资源包里的 main.c 其实就是在协调这三件事。

2.1 引脚分配与定时器分工：F103C8T6 的资源怎么安排

资源包默认的引脚分配如下表。如果你想把板子换成别的型号，改宏定义就行，但注意 F103C8T6 的 PA0 和 PB7 分别带 EXTI0 和 EXTI7，换到其它引脚时要同步改中断线。

定时器分工上，TIM2 负责相位延时，TIM3 负责触发脉冲宽度，TIM4 负责红外解码时的超时判断。这个分配的好处是互相不干扰：过零中断来了，TIM2 重新计数；到了延时阈值，TIM2 的 CC1 中断里拉高 PA1，同时启动 TIM3；TIM3 计满 100us 后拉低 PA1。整个过程都由硬件定时器驱动，不会因为主循环里还跑着遥控解码程序而抖动。

// 定时器数量有限，F103C8T6 有 TIM1-TIM4 // 其中 TIM1 是高级定时器，TIM2/3/4 是通用定时器 #define TIM_PHASE TIM2 #define TIM_PHASE_IRQ TIM2_IRQn #define TIM_PULSE TIM3 #define TIM_PULSE_IRQ TIM3_IRQn #define TIM_IR_TIMEOUT TIM4 #define TIM_IR_IRQ TIM4_IRQn

逻辑上 TIM2 和 TIM3 是串联关系：TIM2 负责“过零后等多长时间”，TIM3 负责“触发信号拉高多久”。实际用下来，这个方案比用延时函数在中断里阻塞要靠谱得多，主循环可以专心干遥控解码和亮度记忆，触发抖动基本在几个微秒以内。

2.2 过零检测与可控硅驱动：为什么不能用普通 PWM 直接驱动 220V

先说一个新手常见误区：直接用 STM32 的 PWM 引脚去接可控硅，或者用一个占空比固定几十 kHz 的高频方波去控制白炽灯。前者会误触发，后者只会让可控硅发热严重。220V 交流调光要用相位控制，必须在每个半波周期内先等一个可调延时，再给可控硅门极一个短促的触发脉冲。

资源包里的过零检测用的是光耦型过零检测电路，工程默认对应的光耦型号是 H11AA1。这个光耦输入侧可以直接接交流电，输出侧是一个三极管，在交流电压接近零点时输出状态翻转。STM32 的 PA0 配置成下降沿外部中断，每个 10ms 半波周期都会收到一次中断。需要注意 H11AA1 的输出需要外接一个 10kΩ 上拉电阻，否则高电平会飘。

// PA0 作为外部中断输入，下拉输入模式 // H11AA1 集电极开路输出，空闲时为高电平，过零时拉低 GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure; GPIO_Initure.Pin = AC_ZERO_PIN; GPIO_Initure.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING; GPIO_Initure.Pull = GPIO_PULLDOWN; HAL_GPIO_Init(AC_ZERO_PORT, &GPIO_Initure);

这里用下拉输入而不是上拉输入，是因为资源包里的硬件电路中 H11AA1 输出端已经接了上拉电阻到 3.3V。如果你自己画板子，用上拉输入也行，但要保证过零光耦输出高电平时 MCU 引脚不会被钳位。过零信号不是标准的 3.3V 方波，建议用示波器抓一下波形，确认上升沿和下降沿都在零点附近，这个信号直接决定了调光精度。

可控硅驱动部分用的是 MOC3021 随机相位光耦，它内部没有过零检测电路，所以可以从任意角度触发。MOC3021 输入侧串联 330Ω 电阻接到 PA1，输出侧串联 470Ω 电阻接 BTA16 可控硅门极。PA1 输出低电平时可控硅关断，输出 100us 高电平时可控硅导通，之后可控硅会在电流过零时自然关断，等待下一个半波。

2.3 红外遥控解码：NEC 协议在 F103 上的接收思路

遥控解码这块，资源包用的是 NEC 协议，接收头是 HS0038B，输出引脚直接接在 PB7 上。NEC 协议的特点是引导码 9ms 低电平 + 4.5ms 高电平，之后是 32 位数据，每一位用 560us 低电平 + 560us 高电平表示逻辑 0，用 560us 低电平 + 1.69ms 高电平表示逻辑 1。HS0038B 输出是反相的，空闲时高电平，收到红外信号时输出低电平。

实现思路很简单：PB7 配置成下降沿中断，每次中断记录当前 TIM4 的计数值，和上一次中断的时间差相减，得到一段低电平或高电平的持续时间，再根据这个时间值判断是引导码、逻辑 0 还是逻辑 1。整套流程放在一个状态机里，避免在中断里做复杂的运算。

// 红外接收引脚：PB7, EXTI7 // 状态机四个状态：空闲、引导码、数据位、结束 uint8_t ir_state = 0; uint32_t last_time = 0; uint32_t ir_data = 0; uint8_t ir_bit_count = 0; void EXTI7_IRQHandler(void) { uint32_t now = TIM4->CNT; uint32_t diff = now - last_time; last_time = now; if (ir_state == 0) { // 等待 9ms 引导码低电平结束 if (diff > 8000) ir_state = 1; } else if (ir_state == 1) { // 引导码结束后应该是 4.5ms 高电平 if (diff > 2000) ir_state = 2; else ir_state = 0; } else if (ir_state == 2) { if (diff > 1500) { ir_data = (ir_data << 1) | 1; } else if (diff > 300) { ir_data = (ir_data << 1) | 0; } else { ir_state = 0; } ir_bit_count++; if (ir_bit_count >= 32) { // 解码完成，把数据交给主循环处理 ir_done = 1; ir_state = 0; } } HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_7); }

这个代码块的逻辑核心是差值判断，而不是脉冲计数。TIM4 使用 72MHz 时钟，预分频 71，得到一个 1MHz 计数频率，每个计数单位就是 1us。diff 变量就是两次下降沿之间的时间差，单位微秒。判断阈值分别对应 NEC 协议里的引导码、逻辑 0 和逻辑 1，实际调试时如果遥控器编码标准有差异，可以微调这几个阈值。引导码 9ms 低电平结束后，PB7 会变成高电平，但高电平不会触发下降沿中断，所以要等到下一个下降沿来临时，diff 实际包含的高电平宽度。资源包里的工程就是这么处理的，符合 HS0038B 的时序。

3. 把工程跑起来：Keil 编译、烧录、串口日志

拿到资源包第一件事不要急着改代码。先按真实硬件把接线核对一遍，再打开 Keil 工程确认编译器和芯片型号，然后烧录。很多人在这一步翻车，是因为下载到的是别人的注释版，芯片型号和宏定义没改，编译能过但烧进去完全不跑。

3.1 工程目录结构与源码文件对应关系

资源包解压后，典型的目录结构是这样的。我建议你保留这个结构，因为 Keil 工程的相对路径已经配置好了，乱移文件夹会导致重新编译时找不到头文件。

单独看 main.c，主循环只做三件事：检查红外遥控解码完成标志，更新亮度目标值；根据目标值计算触发延时；打印状态信息。真正精细的时序全在中断里。主循环代码短是好事，出问题更容易定位。

// main.c 里最关键的循环结构 while (1) { if (ir_done == 1) { ir_done = 0; uint8_t cmd = (ir_data >> 8) & 0xFF; switch (cmd) { case IR_KEY_UP: if (target_bright < 100) target_bright += 5; break; case IR_KEY_DOWN: if (target_bright > 0) target_bright -= 5; break; case IR_KEY_ON: target_bright = 100; break; case IR_KEY_OFF: target_bright = 0; break; } // 把亮度目标值写入 Flash 模拟 EEPROM，掉电保存 brightness_save(target_bright); brightness_update(target_bright); printf("brightness = %d%%\r\n", target_bright); } }

这段代码里的 target_bright 是亮度百分比，范围 0 到 100。遥控键值在资源包里的 ir_remote.h 中有定义，实际使用时需要用串口打印出来的键值核对你手上的遥控器。如果你发现按键没反应，多半是键值不匹配，而不是解码失败。开关逻辑里比较少见的方向是 OFF 按键处理：直接让 target_bright = 0，但不切断可控硅，只是触发角无限推迟。这个实现简单，且不会让开关瞬间产生过冲。

3.2 编译前需要改的宏和引脚配置

打开 Keil 工程后，先检查魔术棒选项卡里的芯片型号。资源包默认是 STM32F103C8T6，如果你用的是同系列的其它封装，需要对应修改宏定义。F103C8 的 Flash 是 64KB，RAM 是 20KB，工程默认开了一个 1KB 的 Flash 模拟 EEPROM，不要随便加大这个区域，否则会在编译链接时和代码段冲突。

另外要改的是两个引脚宏。如果你把过零检测接到了 PA2，请修改系统头文件里的 AC_ZERO_GPIO_PIN。红外接收头如果接在 PB6，那么中断线也要从 EXTI7 改成 EXTI6。这个容易漏，最常见的翻车点在于改了 GPIO 引脚但忘了改中断处理函数名。

// 修改引脚后，需要同步修改中断线宏 #define IR_GPIO_PORT GPIOB #define IR_GPIO_PIN GPIO_PIN_7 #define IR_EXTI_IRQn EXTI7_IRQn #define IR_EXTI_HANDLER EXTI7_IRQHandler

编译时还会遇到一个编译警告，说 system_clock 没有初始化。资源包使用标准外设库，默认启动文件会把时钟配置为 72MHz，但如果你的板子是 8MHz 晶振而程序里配置成了 72MHz，串口波特率就会偏得离谱。检查 RCC 配置函数，确认 HSE_VALUE 和你板子上的晶振频率一致。这里如果配错，最直观的故障是串口打印乱码，其次才是可控硅触发不规律。

3.3 烧录后的启动流程：用串口或 LED 定位问题

烧录完上电，串口会打印一行版本信息和当前亮度。如果这行都没有，先查 PA9/PA10 和串口转 USB 模块的地线是不是共地。很多初学者接了 TX/RX 却不接地，串口当然没数据。之后程序会把上次保存的亮度值读出来，如果非零，状态 LED 会以呼吸效果闪烁，同时开始在过零中断里跑触发逻辑。

判断程序有没有跑到主循环，除了串口，还可以看 PC13。资源包里的状态 LED 在系统初始化后每 500ms 翻转一次，如果 LED 不闪，要么是烧录失败，要么是进入某个中断后没退出。最常见的是红外中断里不断触发，占用了太多 CPU 时间，导致主循环里的 LED 翻转逻辑被饿死。这种情况下可以在中断处理函数开头加一个断点，或者串口打印中断次数。

4. 调光参数细节：从 PWM 占空比到触发延时的换算

很多用户拿到工程后第一反应是找“占空比”变量，其实在这个方案里，控制量不是 PWM 占空比，而是触发延时。占空比对应的是一种概念上的亮度百分比，真正写入定时器的是过零后延时计数值。二者需要做一个换算，换算公式在资源包里有，但注释不够详细，这里展开讲。

4.1 相位控制延时的计算方法

220V 交流电频率为 50Hz，半个周期时间为 10ms。对于纯阻性负载，可控硅触发角从 0 度到 180 度，相当于延时从 0us 到 10000us。100% 亮度理论上在过零后立即触发，但现实里可控硅需要最小维持电流，触发角太靠近过零点反而会导致负载波形不稳定。资源包限制最大亮度为 95%，最小亮度为 5%，并且 0% 亮度直接关断触发，不进入延时计算。

换算公式如下：

// delay_us = (100 - brightness) * 10000 / 100 // 其中 brightness 取值范围 0~95，超过 95 按 95 处理 uint16_t phase_delay_us(uint8_t brightness) { if (brightness >= 95) return 100; // 最小延时 if (brightness <= 0) return 20000; // 超过半周期，等效不触发 return (uint16_t)((100 - brightness) * 100); }

这里延时单位是微秒，所以 (100 - brightness) * 100 直接算出微秒数。例如亮度 50%，延时就是 5000us，也就是在过零后 5ms 处触发可控硅，导通角 90 度。亮度 80%，延时 2000us，导通角约 144 度，亮度会明显提高。之所以在亮度为 0 时特意返回 20000us 而不是 10000，是因为可控硅触发引脚的高电平脉冲宽度是 100us，如果延时 10000us 刚好落在下一个半波过零附近，可能造成误触发。

实际使用中，这个线性换算并不完全对应灯光的视觉亮度，因为白炽灯的发光强度和电压有效值是非线性关系。你手头的工程默认是线性换算，但如果你想做无级平滑调光，建议改成查表法。资源包里的 brightness_table 数组预留了 100 个点，你可以根据实际测得的数据填充。

4.2 遥控调光状态机的实现方式

主循环里的开关切换是个典型的状态机，但真正决定调光流畅度的是亮度更新策略。如果每按一次遥控器就直接跳变 5%，看起来会有点生硬。资源包的做法是目标亮度加一个渐变控制器：主循环每 20ms 判断当前亮度和目标亮度，差值为正则每个周期加 1，差值为负则每个周期减 1。

// 渐变亮度控制，消除跳变感 void brightness_update(uint8_t target) { static uint8_t current = 0; if (current < target) current++; else if (current > target) current--; TIM_PHASE->CCR1 = phase_delay_us(current); current_brightness = current; }

这个函数需要在主循环里周期性调用，资源包的调用频率是 50Hz。如果你发现调光明显有滞后，可以把调用频率提高到 100Hz，但不要高于 200Hz，否则过零中断和触发中断会抢占太多 CPU 时间。亮度更新和触发是分离的：亮度更新只是改了 CCR1 寄存器的值，下一次过零中断到来时才会装载新延时。

这里有个细节容易看漏：CCR1 的值是在过零中断启动 TIM2 之前读取的，如果刚好在过零中断前后修改 CCR1，可能这一周期用的是旧值，下一周期才用新值，导致一次亮度抖动。工程里处理方式是在过零中断中先关中断，读完 CCR1 再开中断。思路是对的，不过实际项目中这一点影响很小。

4.3 亮度记忆与开机默认亮度的处理

F103C8T6 没有真正的 EEPROM，资源包用的是内部 Flash 模拟。它在最后 1KB 的 Flash 里写入了两个 16 位变量：标志位和亮度值。上电时判断标志位，如果正确，则用亮度值恢复；如果标志位不正确，则默认亮度设为 50%。注意写入 Flash 前必须先擦除整个页，所以频繁调节亮度时不能每次都写入，资源包的程序是连续按键停止 2 秒后才保存一次。

// 模拟 EEPROM 写入流程 #define EEPROM_FLASH_ADDR 0x0800FC00 void brightness_save(uint8_t value) { FLASH_Unlock(); FLASH_ErasePage(EEPROM_FLASH_ADDR); FLASH_ProgramHalfWord(EEPROM_FLASH_ADDR, 0xA55A); FLASH_ProgramHalfWord(EEPROM_FLASH_ADDR + 2, value); FLASH_Lock(); }

这里有个非常容易踩的坑：Flash 写寿命是约一万次，如果你在每次按键后立刻保存，可能几天就把寿命用完。资源包里的 2 秒延迟保存是个好习惯，但如果你改成了立即保存，至少要在 Flash 写入次数上加一个计数器限流。另外，擦除和写入期间系统会被阻塞几十毫秒，期间正好过零中断来了，不会丢失，但中断响应会被延迟，导致这一周期触发时间略有偏差。

5. 踩坑与排查：这三个月里我遇到的 5 个坑

任何调光工程都不会一次点亮。我照着这个资源包做第二次的时候，专门把踩过的坑记录了下来，这里挑有代表性的五条，按现象、原因、解决的顺序写。

5.1 过零检测脚一直触发中断，但负载完全不亮

现象：程序烧录后串口打印正常，PA0 引脚也能测到 50Hz 方波，可控硅却没有任何输出。

原因：我一开始把 MOC3021 输入端的限流电阻用成了 10kΩ，导致光耦内部 LED 电流太小，驱动不了双向可控硅。PA1 置高后，可控硅门极只有不到 3mA，BTA16 需要 5mA 以上才能可靠导通。另一个原因是可控硅的 MT1 和 MT2 接反了，双向可控硅本身不区分，但如果接到的是单向可控硅就完全不行。

解决：把限流电阻改成 330Ω，同时确认光耦输出侧的 470Ω 电阻放到了合适的位置。用万用表量 PA1 高电平时光耦输入端的电流，基本要 5~10mA。如果可控硅仍然不导通，可以换一个开启电流更小的 BTA12 试试。

5.2 遥控距离变短，或者按一下触发两次

现象：近距离能控，距离超过 3 米就丢包，有时按一次遥控器亮度连续跳两档。

原因：两个问题叠加。第一个是红外接收头供电处缺了一个 10uF 电解电容，电源纹波干扰了接收头；第二个是红外解码中断里没有做弹跳处理，NEC 协议中同一个按键如果连发码处理周期太长，主循环重复读取了 ir_done 标志位。

解决：在 HS0038B 的电源引脚上并一个 10uF 电容和 100nF 电容，一个吸收低频纹波，一个滤高频。然后修改红外解码逻辑，在 ir_done 置 1 后，心跳若干毫秒内不允许再次置位。我用的是 50ms 屏蔽窗口，效果很好。

5.3 可控硅发热严重，亮度调到最大时尤其烫

现象：满载运行半小时后，可控硅散热片温度超过 80 度，甚至冒烟。

原因：触发脉冲宽度太长或太短都会导致可控硅不完全导通。资源包默认触发脉冲是 100us，但如果负载是感性元件，比如带电机风扇，需要更宽的维持电流平台。另一个原因是可控硅没有并联 RC 吸收电路，或是吸收电路参数不对，导致频繁误触发。

解决：给可控硅并联一个 47Ω 电阻串联 10nF 电容的 RC 吸收电路，位置尽量靠近可控硅。然后把触发脉冲宽度从 100us 改到 150us。对于感性负载，可以在负载两端并联一个压敏电阻，但别用太大容量，否则调光波形会变得奇怪。

5.4 灯泡在低亮度时严重闪烁

现象：亮度低于 30% 时，白炽灯肉眼可见地抖动，实际亮度也不是平滑变化。

原因：相位控制在低导通角时对过零检测精度非常敏感。如果过零检测信号沿抖动，触发延时会随机偏差几百微秒，低亮度下这个偏差比例会被放大。另一个原因是直流电源给 STM32 供电时，市电波动会通过电源串扰到 MCU 地线，影响定时器计数。

解决：先看示波器过零检测输出的数字波形，把上拉电阻从 10kΩ 改成 4.7kΩ，让沿更陡峭。其次用隔离电源或者磁珠隔离 MCU 供电，避免可控硅开关噪声倒灌。最后，把可控硅触发引脚附近的大电流走线远离过零检测输入引脚，基本能解决。

5.5 烧录后完全没有反应，连串口都不打印

现象：板子能识别 ST-Link，烧录显示成功，但上电后 LED 不亮，串口无输出。

原因：工程默认使用外部 8MHz 晶振，但如果你的板子用的是 16MHz 晶振或内部 RC 振荡器，启动文件中配置的时钟分频系数会把实际时钟跑成错误的频率，导致串口波特率完全对不上。另一个可能是 BOOT0 跳线设置不对，单片机进入了系统 bootloader 而不是用户程序。

解决：先用芯片的默认内部时钟配置，把 system_stm32f10x.c 里的 PLL 倍频系数改掉，看串口是否能打印。如果还不行，量 BOOT0 电压是否拉低。直接用 SWD 烧录时，如果 BOOT0 被拉高，程序会跳过用户区，启动地址就不对了。

6. 进阶验证：用一个 12V 灯泡先验证，再上 220V 的测试流程

把资源包烧录进去只是开始，真正的调光是拿负载一档一档试出来的。强电操作有风险，所以我养成了一个习惯：先用 12V 交流灯泡做安全验证，确认过零检测和触发波形都正确，再切换到 220V 隔离变压器。这一步能省下很多不该冒的险。

先用一个隔离变压器把市电降到 12VAC，接入调光板的输入端，负载用 12V 白炽灯。把示波器探头分别放在过零检测输出端和可控硅触发引脚上。正常情况下，过零检测输出应该是干净的低电平脉冲，触发引脚在过零后延时一段时间出现一个 100us 高电平脉冲。如果波形干净，再用串口把亮度调到 20%、50%、80% 各运行几分钟，观察灯泡亮度和温度。

在 12V 验证阶段，最容易发现的问题是可控硅触发能力不足。因为 12V 下可控硅维持电流比 220V 时小得多，之前提到的门极电流问题会变得很明显。如果你在 12V 下发现 30% 亮度以下波形触发不稳定，那上 220V 只会更糟。12V 阶段还可以顺手验证遥控解码：按一下遥控器，看串口打印的键值是否和你按键对应。

确认 12V 正常后，换上隔离变压器的高压侧和 220V 白炽灯。上电前先检查三个地方：火线零线不要反、可控硅的散热片有没有接触好、RC 吸收电路有没有漏焊。第一次上电先把亮度设定在 60%，不要直接拉满。然后依次调低到 30% 和 10%，眼睛观察灯的频闪，手摸可控硅温度，耳朵注意有没有异常啸叫。如果 30% 以下有闪，回到第 5.4 条检查过零检测沿。

最后还可以做一个简单的一致性验证：用万用表测 220V 端的交流输出电压有效值。亮度 100% 时应该接近市电电压，50% 时大约是市电的 70% 左右，25% 时大约是市电的 50%。因为线性换算带来的偏差，这个值不一定完全符合预期，但可以记录一组数据填到 brightness_table 里，让调光曲线更线性。

从那以后，我每次拿到新的调光工程，都会强制走一遍这个 12V 验证流程，不再直接插 220V 试灯。看起来多花十分钟，实际上省了至少七八次烧可控硅的后悔药。这份资源包本身就是个能跑通的样板，把电路按引脚表接好，先做低压验证，再上强电，你会比我第一次用时顺利得多。希望帮到你。

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