硬件编程 · 桌面作业提醒机器人 · 2026-10-18

需求洞察

目标用户是居家学习的中小学生，以及需要长时间伏案写作业、看书的大学生。真实痛点不是“没有计时器”，而是手机计时器容易变成干扰源：一拿起手机就想看消息；普通闹钟只会响，缺少“我是否坐在桌前”的判断；家长反复催促又容易引发对抗。桌面作业提醒机器人要解决的是“开始难、坚持难、久坐不自觉”三个问题。

它值得做，原因有三点。第一，提醒发生在桌面现场，不依赖手机，减少分心。第二，人体传感器让提醒具备上下文：人离开就暂停，不把空座计时算成学习。第三，舵机小旗和蜂鸣器形成轻量物理反馈，比屏幕弹窗更有存在感，却比大声训斥更温和。成本控制在 40 元内，也让它具备批量制作和课堂实践价值。

方案设计

感知层由 HC-SR501 人体红外传感器完成在座检测，输出数字信号；ESP32 内部定时器负责学习 25 分钟、休息 5 分钟的节拍。控制层运行三状态机：空闲、学习、休息，并加入“连续 5 分钟无人则退出学习”的规则，避免空座累计。执行层包括 0.96 寸 OLED、SG90 舵机、有源蜂鸣器：OLED 显示状态与剩余时间，舵机带动小旗抬起或落下，蜂鸣器在状态切换时短鸣。日志/联网层先用串口输出每次状态切换与学习时长，ESP32 预留 Wi-Fi 能力，后续可通过 NTP 校时或 MQTT 上报，不增加当前硬件成本。

物料清单

接线与结构

OLED 使用 I2C：SDA 接 GPIO21，SCL 接 GPIO22，VCC 接 3.3V，GND 共地。PIR 输出接 GPIO18，VCC 接 5V，GND 共地。舵机信号接 GPIO13，电源接 5V，GND 共地；SG90 启动电流较大，若出现复位，建议用独立 5V 电源并共地。蜂鸣器 I/O 接 GPIO27，采用低电平触发或高电平触发需按模块标注调整，代码默认高电平触发。以上均沿用建议接线，无需改脚。

结构上，纸板做 L 形底座，OLED 固定在正面，PIR 朝向座位，舵机装在侧面并粘一根轻质小旗，蜂鸣器留在底座内。舵机臂行程只做 0 到 90 度，避免堵转。

核心代码

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <ESP32Servo.h>

#define SDA_PIN 21
#define SCL_PIN 22
#define PIR_PIN 18
#define SERVO_PIN 13
#define BUZZ_PIN 27

Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire;, -1);
Servo flagServo;

enum State { IDLE, STUDY, BREAK };
State state = IDLE;
unsigned long stateStart = 0;
unsigned long lastShow = 0;
unsigned long noMotionStart = 0;
const unsigned long STUDY_MS = 25UL * 60UL * 1000UL;
const unsigned long BREAK_MS = 5UL * 60UL * 1000UL;
const unsigned long AWAY_MS = 5UL * 60UL * 1000UL;

void beep(int times) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
  }
}

void showState() {
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0, 20);
  unsigned long elapsed = millis() - stateStart;
  if (state == IDLE) {
    display.print("IDLE");
  } else if (state == STUDY) {
    unsigned long left = (elapsed < STUDY_MS) ? (STUDY_MS - elapsed) / 1000 : 0;
    display.print("S "); display.print(left / 60); display.print(":");
    if (left % 60 < 10) display.print("0");
    display.print(left % 60);
  } else {
    unsigned long left = (elapsed < BREAK_MS) ? (BREAK_MS - elapsed) / 1000 : 0;
    display.print("B "); display.print(left / 60); display.print(":");
    if (left % 60 < 10) display.print("0");
    display.print(left % 60);
  }
  display.display();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIR_PIN, INPUT);
  pinMode(BUZZ_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZ_PIN, LOW);
  flagServo.attach(SERVO_PIN);
  flagServo.write(0);
  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);
  display.clearDisplay();
  display.display();
  stateStart = millis();
}

void loop() {
  bool pir = digitalRead(PIR_PIN);
  unsigned long now = millis();

  if (state == IDLE && pir) {
    state = STUDY; stateStart = now; noMotionStart = 0;
    flagServo.write(90); beep(1);
    Serial.println("ENTER STUDY");
  } else if (state == STUDY) {
    if (pir) noMotionStart = 0;
    else if (noMotionStart == 0) noMotionStart = now;
    if (noMotionStart && now - noMotionStart > AWAY_MS) {
      state = IDLE; stateStart = now; flagServo.write(0); beep(2);
      Serial.println("AWAY -> IDLE");
    } else if (now - stateStart >= STUDY_MS) {
      state = BREAK; stateStart = now; flagServo.write(0); beep(2);
      Serial.println("ENTER BREAK");
    }
  } else if (state == BREAK && now - stateStart >= BREAK_MS) {
    state = IDLE; stateStart = now; beep(1);
    Serial.println("BREAK END");
  }

  if (now - lastShow > 500) {
    lastShow = now; showState();
  }
}