【STM32单片机入门攻略】：快速掌握基础知识和应用技巧，打造你的嵌入式项目

# 1. STM32单片机简介和基础知识

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器。它具有高集成度、低功耗、高性价比等特点，广泛应用于工业控制、物联网、医疗电子等领域。

本章将介绍STM32单片机的基本架构、特性和应用领域。我们将从STM32单片机的核心架构、外设资源、存储器结构等方面进行详细阐述，帮助读者建立对STM32单片机的整体认识。此外，本章还将介绍STM32单片机的开发环境搭建和基础编程知识，为后续章节的学习奠定基础。

# 2. STM32单片机编程环境搭建和基础开发

### 2.1 STM32单片机开发环境搭建

#### 2.1.1 工具链安装

STM32单片机开发环境搭建需要安装工具链，包括编译器、汇编器、链接器等。推荐使用官方提供的STM32CubeIDE工具链，它集成了所有必要的工具，并提供了友好的开发界面。

#### 2.1.2 开发环境配置

安装工具链后，需要配置开发环境。在STM32CubeIDE中，可以新建一个项目，并选择相应的单片机型号和开发板。开发环境会自动生成必要的工程文件和配置。

#### 2.1.3 调试器连接

为了调试程序，需要将调试器连接到单片机。STM32CubeIDE支持多种调试器，如ST-Link、J-Link等。连接调试器后，可以在开发环境中进行调试，如单步执行、设置断点等。

### 2.2 STM32单片机基础编程

#### 2.2.1 C语言基础语法

STM32单片机编程主要使用C语言。C语言是一种结构化编程语言，具有丰富的语法结构和数据类型。对于初学者，建议先掌握C语言的基础语法，如变量声明、数据类型、控制流语句等。

#### 2.2.2 STM32单片机寄存器结构

STM32单片机内部包含大量的寄存器，用于控制和配置外设。寄存器结构因单片机型号而异，需要查阅相应的参考手册。寄存器通常分为控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器。

#### 2.2.3 STM32单片机中断机制

中断是一种处理异步事件的机制。STM32单片机支持多种中断源，如外设中断、系统中断等。中断处理程序在中断发生时被调用，用于处理相应的事件。中断机制的配置和使用对于实时系统的开发至关重要。

#### 代码示例：

// 寄存器访问示例
// 打开 GPIOA 时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

// 设置 GPIOA 第 5 位为输出模式
GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE5;
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE5_0;

// 设置 GPIOA 第 5 位为高电平
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR5;

#### 逻辑分析：

* `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;`：打开 GPIOA 时钟，使能 GPIOA 外设。
* `GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE5;`：清除 GPIOA 第 5 位的模式位，准备设置模式。
* `GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE5_0;`：设置 GPIOA 第 5 位为输出模式。
* `GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR5;`：设置 GPIOA 第 5 位为高电平，输出高电平。

# 3. STM32单片机外设接口和应用

### 3.1 STM32单片机GPIO接口

#### 3.1.1 GPIO接口基本操作

**GPIO端口配置**

// 配置GPIO端口为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 配置GPIO端口为输入模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_PIN_12`：配置GPIO引脚12
* `GPIO_MODE_OUTPUT_PP`：推挽输出模式
* `GPIO_MODE_INPUT`：输入模式
* `GPIO_NOPULL`：无上拉/下拉电阻
* `GPIO_PULLUP`：上拉电阻

**GPIO读写操作**

// 写入GPIO引脚12为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);

// 读取GPIO引脚13的电平
uint32_t pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_13);

**参数说明：**

* `GPIO_PIN_12`：GPIO引脚12
* `GPIO_PIN_SET`：高电平
* `GPIO_PIN_RESET`：低电平
* `pin_level`：读取的电平值

#### 3.1.2 GPIO中断配置

**GPIO中断初始化**

// 初始化GPIO中断
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_MODE_IT_RISING`：上升沿触发中断
* `GPIO_MODE_IT_FALLING`：下降沿触发中断
* `GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING`：上升沿和下降沿触发中断

**GPIO中断回调函数**

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_13)
    {
        // GPIO引脚13中断处理代码
    }
}

**参数说明：**

* `GPIO_Pin`：触发中断的GPIO引脚

### 3.2 STM32单片机定时器接口

#### 3.2.1 定时器基本操作

**定时器初始化**

// 初始化定时器
TIM_HandleTypeDef htim1;
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 1000;
htim1.Init.Period = 1000;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_Base_Init(&htim1);

**参数说明：**

* `TIM1`：定时器1
* `Prescaler`：分频系数
* `Period`：自动重装载值
* `ClockDivision`：时钟分频
* `CounterMode`：计数模式（向上计数）

**定时器启动**

// 启动定时器
HAL_TIM_Base_Start(&htim1);

**定时器中断配置**

// 初始化定时器中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);

#### 3.2.2 定时器中断配置

**定时器中断回调函数**

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim == &htim1)
    {
        // 定时器1中断处理代码
    }
}

### 3.3 STM32单片机串口接口

#### 3.3.1 串口基本操作

**串口初始化**

// 初始化串口
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
HAL_UART_Init(&huart1);

**参数说明：**

* `USART1`：串口1
* `BaudRate`：波特率
* `WordLength`：数据位长度
* `StopBits`：停止位长度
* `Parity`：校验位
* `HwFlowCtl`：硬件流控制
* `Mode`：收发模式

**串口发送数据**

// 发送数据
uint8_t data[] = "Hello World!";
HAL_UART_Transmit(&huart1, data, sizeof(data), 1000);

**参数说明：**

* `data`：发送的数据
* `sizeof(data)`：数据长度
* `1000`：超时时间（毫秒）

**串口接收数据**

// 接收数据
uint8_t rx_data[100];
HAL_UART_Receive(&huart1, rx_data, 100, 1000);

**参数说明：**

* `rx_data`：接收数据的缓冲区
* `100`：接收数据长度
* `1000`：超时时间（毫秒）

#### 3.3.2 串口中断配置

**串口中断初始化**

// 初始化串口中断
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_data, 100);

**串口中断回调函数**

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart == &huart1)
    {
        // 串口1接收完成中断处理代码
    }
}

# 4. STM32单片机高级应用

### 4.1 ADC接口

#### 4.1.1 ADC接口基本操作

ADC（模数转换器）接口是STM32单片机中一个重要的外设，它可以将模拟信号转换为数字信号。在实际应用中，ADC接口可以用于测量电压、电流、温度等模拟量。

STM32单片机中的ADC接口通常由多个通道组成，每个通道对应一个模拟输入引脚。通过配置ADC通道，我们可以选择要转换的模拟信号。

ADC转换过程包括以下几个步骤：

1. 配置ADC通道：选择要转换的模拟输入引脚，设置转换分辨率和采样率等参数。
2. 启动ADC转换：通过软件指令启动ADC转换。
3. 等待转换完成：ADC转换完成后，ADC会产生一个中断信号。
4. 读取转换结果：通过软件指令读取ADC转换结果。

// 配置ADC通道
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

// 启动ADC转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);

// 等待转换完成
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1000);

// 读取转换结果
uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

#### 4.1.2 ADC中断配置

为了提高ADC转换效率，我们可以使用ADC中断功能。当ADC转换完成后，ADC会产生一个中断信号，从而通知MCU进行数据处理。

配置ADC中断需要以下步骤：

1. 在中断向量表中注册ADC中断处理函数。
2. 在ADC中断处理函数中读取ADC转换结果。
3. 清除ADC中断标志位。

// 注册ADC中断处理函数
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    // 读取ADC转换结果
    uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    // 清除ADC中断标志位
    HAL_ADC_ClearFlag(&hadc1, ADC_FLAG_EOC);
}

### 4.2 DAC接口

#### 4.2.1 DAC接口基本操作

DAC（数模转换器）接口是STM32单片机中的另一个重要外设，它可以将数字信号转换为模拟信号。在实际应用中，DAC接口可以用于产生正弦波、方波等模拟信号。

STM32单片机中的DAC接口通常由多个通道组成，每个通道对应一个模拟输出引脚。通过配置DAC通道，我们可以选择要输出的数字信号。

DAC转换过程包括以下几个步骤：

1. 配置DAC通道：选择要输出的模拟输出引脚，设置转换分辨率等参数。
2. 写入DAC数据：通过软件指令将数字信号写入DAC寄存器。
3. 启动DAC转换：通过软件指令启动DAC转换。

// 配置DAC通道
DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;
sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;
HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac1, &sConfig, DAC_CHANNEL_1);

// 写入DAC数据
uint32_t dacValue = 0x1234;
HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, dacValue);

// 启动DAC转换
HAL_DAC_Start(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);

#### 4.2.2 DAC中断配置

与ADC接口类似，DAC接口也支持中断功能。当DAC转换完成后，DAC会产生一个中断信号，从而通知MCU进行数据处理。

配置DAC中断需要以下步骤：

1. 在中断向量表中注册DAC中断处理函数。
2. 在DAC中断处理函数中读取DAC转换结果。
3. 清除DAC中断标志位。

// 注册DAC中断处理函数
void HAL_DAC_ConvCpltCallbackCh1(DAC_HandleTypeDef* hdac)
{
    // 读取DAC转换结果
    uint32_t dacValue = HAL_DAC_GetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);

    // 清除DAC中断标志位
    HAL_DAC_ClearFlag(&hdac1, DAC_FLAG_EOC);
}

### 4.3 I2C接口

#### 4.3.1 I2C接口基本操作

I2C（Inter-Integrated Circuit）接口是一种串行通信协议，它允许STM32单片机与其他设备进行通信。在实际应用中，I2C接口可以用于连接传感器、显示器、存储器等外设。

STM32单片机中的I2C接口通常由两个引脚组成：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。通过配置I2C接口，我们可以选择要连接的外设的地址。

I2C通信过程包括以下几个步骤：

1. 配置I2C接口：选择要连接的外设的地址，设置通信速率等参数。
2. 发送I2C数据：通过软件指令将数据写入I2C寄存器。
3. 接收I2C数据：通过软件指令从I2C寄存器中读取数据。

// 配置I2C接口
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
HAL_I2C_Init(&hi2c1);

// 发送I2C数据
uint8_t data = 0x12;
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x55, &data, 1, 1000);

// 接收I2C数据
uint8_t rxData[1];
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x55, rxData, 1, 1000);

#### 4.3.2 I2C中断配置

与ADC和DAC接口类似，I2C接口也支持中断功能。当I2C通信完成后，I2C会产生一个中断信号，从而通知MCU进行数据处理。

配置I2C中断需要以下步骤：

1. 在中断向量表中注册I2C中断处理函数。
2. 在I2C中断处理函数中读取I2C通信结果。
3. 清除I2C中断标志位。

// 注册I2C中断处理函数
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
{
    // 读取I2C通信结果
    uint8_t txData = HAL_I2C_GetLastTxData(hi2c);

    // 清除I2C中断标志位
    HAL_I2C_ClearFlag(hi2c, I2C_FLAG_TXE);
}

# 5.1 STM32单片机LED控制项目

### 1. 项目简介

本项目旨在通过STM32单片机控制LED灯的亮灭，实现简单的开关控制功能。该项目涉及STM32单片机GPIO接口的配置和操作，为理解STM32单片机外设接口的使用提供了基础。

### 2. 硬件准备

- STM32单片机开发板
- LED灯
- 电阻（100Ω）

### 3. 软件开发

#### 3.1 GPIO配置

首先，需要配置STM32单片机的GPIO接口，以控制LED灯。在STM32CubeMX中，可以按照以下步骤进行配置：

1. 选择要使用的GPIO引脚，例如GPIOA的引脚0。
2. 设置引脚模式为输出模式。
3. 设置引脚输出类型为推挽输出。
4. 生成代码。

#### 3.2 LED控制

在配置好GPIO接口后，就可以通过软件来控制LED灯的亮灭。以下是一个示例代码：

#include "stm32f1xx_hal.h"

int main(void)
{
  HAL_Init();

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  while (1)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1000);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1000);
  }
}

在这个代码中：

- `HAL_GPIO_Init()`函数用于初始化GPIO引脚。
- `HAL_GPIO_WritePin()`函数用于控制LED灯的亮灭，`GPIO_PIN_SET`表示亮，`GPIO_PIN_RESET`表示灭。
- `HAL_Delay()`函数用于延时，控制LED灯亮灭的间隔时间。

### 4. 运行结果

编译并下载代码后，STM32单片机将控制LED灯每隔1秒亮灭一次。