【STM32单片机开发秘籍】：从入门到精通的10大实战案例

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STM32单片机基础编程 ### 2.1 C语言基础语法 #### 2.1.1 数据类型和变量在C语言中，数据类型决定了变量可以存储的值的类型和范围。STM32单片机主要使用以下数据类型： - **整型：**int、short、long，用于存储整数。 - **浮点型：**float、double，用于存储小数。 - **字符型：**char，用于存储单个字符。 - **布尔型：**bool，用于存储真或假。变量用于存储数据，其声明语法为： ```c <数据类型> <变量名>; ``` 例如： ```c int num; float temp; char ch; ``` #### 2.1.2 运算符和表达式运算符用于对数据进行操作，表达式由运算符和操作数组成。STM32单片机中常用的运算符包括： - **算术运算符：**+、-、*、/、% - **关系运算符：**==、!=、>、<、>=、<= - **逻辑运算符：**&&、||、! 表达式用于计算值，其语法为： ```c <操作数> <运算符> <操作数> ``` 例如： ```c int sum = a + b; float avg = (x + y) / 2; bool result = (x > 0) && (y < 0); ``` ### 2.2 STM32单片机硬件架构 #### 2.2.1 内核和外设 STM32单片机采用基于ARM Cortex-M内核，该内核具有高性能、低功耗的特点。内核负责执行程序指令，而外设负责与外部设备交互。 STM32单片机的外设包括： - **GPIO：**通用输入/输出端口，用于连接外部设备。 - **定时器：**用于生成脉冲、测量时间和创建PWM信号。 - **串口：**用于与其他设备进行串行通信。 - **I2C：**用于与I2C设备进行通信。 - **ADC：**用于将模拟信号转换为数字信号。 #### 2.2.2 GPIO和定时器 **GPIO（通用输入/输出端口）** GPIO端口是STM32单片机上最基本的输入/输出接口，可以配置为输入或输出模式。每个GPIO端口有16个引脚，可以连接外部设备。 GPIO配置和操作函数： ```c void GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t Pin, GPIO_Mode_TypeDef Mode); void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t Pin, BitAction BitVal); uint32_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t Pin); ``` **定时器** 定时器是STM32单片机上用于生成脉冲、测量时间和创建PWM信号的外设。每个STM32单片机有多个定时器，每个定时器有不同的功能。定时器配置和操作函数： ```c void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef *TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef *TIM_TimeBaseInitStruct); void TIM_Cmd(TIM_TypeDef *TIMx, FunctionalState NewState); void TIM_SetCounter(TIM_TypeDef *TIMx, uint32_t Counter); uint32_t TIM_GetCounter(TIM_TypeDef *TIMx); ``` # 3. STM32单片机外设编程 ### 3.1 GPIO编程 GPIO（通用输入/输出）是STM32单片机中最重要的外设之一，它允许单片机与外部设备进行交互。 #### 3.1.1 GPIO配置和操作 **GPIO配置** ```c // 初始化GPIO端口 RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN; // 设置GPIO引脚模式 GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5; GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0; // 设置GPIO引脚类型 GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT5; // 设置GPIO引脚速率 GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED5; GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEED5_0; // 设置GPIO引脚上拉/下拉电阻 GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD5; GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD5_0; ``` **参数说明：** * `RCC_AHB1ENR_GPIOAEN`：使能GPIOA端口时钟 * `GPIO_MODER_MODE5_0`：将PA5引脚设置为输出模式 * `GPIO_OTYPER_OT5`：将PA5引脚设置为推挽输出 * `GPIO_OSPEEDR_OSPEED5_0`：将PA5引脚的输出速率设置为低速 * `GPIO_PUPDR_PUPD5_0`：将PA5引脚的上拉电阻设置为无 **GPIO操作** ```c // 设置GPIO引脚输出高电平 GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BS_5; // 设置GPIO引脚输出低电平 GPIOA->BSRR |= GPIO_BSRR_BR_5; // 读取GPIO引脚输入电平 uint32_t input = GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID5; ``` **参数说明：** * `GPIO_BSRR_BS_5`：将PA5引脚设置为高电平 * `GPIO_BSRR_BR_5`：将PA5引脚设置为低电平 * `GPIO_IDR_ID5`：读取PA5引脚的输入电平 #### 3.1.2 中断处理 STM32单片机支持GPIO中断，当GPIO引脚电平发生变化时，可以触发中断。 **中断配置** ```c // 使能GPIOA中断 NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn); // 配置GPIOA中断 EXTI->IMR |= EXTI_IMR_IM0; EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_RT0; ``` **参数说明：** * `EXTI0_IRQn`：GPIOA中断号 * `EXTI_IMR_IM0`：使能GPIOA中断 * `EXTI_RTSR_RT0`：触发GPIOA中断的事件为上升沿 **中断处理函数** ```c void EXTI0_IRQHandler(void) { // 清除中断标志位 EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0; // 执行中断处理代码 } ``` ### 3.2 定时器编程定时器是STM32单片机中另一个重要的外设，它可以生成精确的时间间隔和脉冲。 #### 3.2.1 定时器配置和操作 **定时器配置** ```c // 使能定时器2时钟 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 设置定时器2预分频器 TIM2->PSC = 7200 - 1; // 设置定时器2自动重装载值 TIM2->ARR = 1000 - 1; // 使能定时器2 TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; ``` **参数说明：** * `RCC_APB1ENR_TIM2EN`：使能定时器2时钟 * `TIM2->PSC`：设置定时器2预分频器，时钟频率为72MHz / (7200 + 1) = 10kHz * `TIM2->ARR`：设置定时器2自动重装载值，定时周期为10kHz / (1000 + 1) = 10ms * `TIM_CR1_CEN`：使能定时器2 **定时器操作** ```c // 获取定时器2当前计数值 uint32_t count = TIM2->CNT; // 设置定时器2比较输出值 TIM2->CCR1 = 500; ``` **参数说明：** * `TIM2->CNT`：获取定时器2当前计数值 * `TIM2->CCR1`：设置定时器2比较输出值，当计数值达到比较输出值时，将触发中断 #### 3.2.2 PWM和捕获 STM32单片机中的定时器还支持PWM（脉冲宽度调制）和捕获功能。 **PWM配置** ```c // 设置定时器2通道1为PWM输出模式 TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // 设置定时器2通道1比较输出值 TIM2->CCR1 = 500; ``` **参数说明：** * `TIM_CCMR1_OC1M_1`和`TIM_CCMR1_OC1M_2`：设置定时器2通道1为PWM输出模式 * `TIM2->CCR1`：设置定时器2通道1比较输出值，占空比为50% **捕获配置** ```c // 设置定时器2通道2为输入捕获模式 TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC2S_0; // 设置定时器2通道2输入滤波器 TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC2F_0 | TIM_CCMR1_IC2F_1 | TIM_CCMR1_IC2F_2; ``` **参数说明：** * `TIM_CCMR1_CC2S_0`：设置定时器2通道2为输入捕获模式 * `TIM_CCMR1_IC2F_0`、`TIM_CCMR1_IC2F_1`和`TIM_CCMR1_IC2F_2`：设置定时器2通道2输入滤波器，滤波时间为8个时钟周期 # 4. STM32单片机通信编程 ### 4.1 串口通信 **4.1.1 串口配置和操作** 串口是STM32单片机常用的通信外设，用于与其他设备进行数据传输。STM32单片机提供了多个串口，每个串口都有自己的配置寄存器和数据寄存器。要配置串口，需要设置波特率、数据位、停止位和校验位等参数。波特率表示数据传输速率，单位为比特/秒（bps）。数据位表示每个数据帧中传输的数据位数，通常为8位。停止位表示数据帧结束时发送的停止位数，通常为1或2位。校验位用于检测数据传输过程中的错误，通常为无校验、奇校验或偶校验。 ```c // 配置串口1 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能串口1时钟 USART1->BRR = 0x683; // 设置波特率为9600bps USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE; // 使能发送器和接收器 USART1->CR2 |= USART_CR2_STOP1; // 设置1个停止位 ``` **4.1.2 数据收发** 配置好串口后，就可以进行数据收发操作。数据发送通过发送数据寄存器（USART_DR），数据接收通过接收数据寄存器（USART_DR）。 ```c // 发送数据 USART1->DR = 'A'; // 发送字符'A' // 接收数据 while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) {} // 等待接收数据 char data = USART1->DR; // 读取接收到的数据 ``` ### 4.2 I2C通信 **4.2.1 I2C配置和操作** I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接多个设备。STM32单片机提供了多个I2C接口，每个接口都有自己的配置寄存器和数据寄存器。要配置I2C接口，需要设置时钟频率、从机地址和通信模式等参数。时钟频率通常为100kHz或400kHz。从机地址是设备在I2C总线上的唯一标识符。通信模式可以为主机模式或从机模式。 ```c // 配置I2C1 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; // 使能I2C1时钟 I2C1->CR2 |= I2C_CR2_FREQ_100K; // 设置时钟频率为100kHz I2C1->OAR1 |= 0x10; // 设置从机地址为0x10 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE; // 使能I2C接口 ``` **4.2.2 传感器和显示器连接** I2C接口可以连接各种传感器和显示器，如温度传感器、湿度传感器、OLED显示器等。通过I2C协议，可以读取传感器数据或向显示器发送数据。 ```c // 读取温度传感器数据 uint8_t data[2]; I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; // 发送起始信号 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)); // 等待起始信号发送完成 I2C1->DR = 0x40; // 发送从机地址（读） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // 等待从机地址发送完成 I2C1->DR = 0x00; // 发送寄存器地址 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); // 等待数据发送完成 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; // 发送停止信号 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; // 发送起始信号 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)); // 等待起始信号发送完成 I2C1->DR = 0x41; // 发送从机地址（读） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // 等待从机地址发送完成 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK; // 发送ACK信号 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE)); // 等待数据接收完成 data[0] = I2C1->DR; // 读取数据 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_NACK; // 发送NACK信号 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE)); // 等待数据接收完成 data[1] = I2C1->DR; // 读取数据 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; // 发送停止信号 // 向OLED显示器发送数据 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; // 发送起始信号 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)); // 等待起始信号发送完成 I2C1->DR = 0x3C; // 发送从机地址（写） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // 等待从机地址发送完成 I2C1->DR = 0x00; // 发送命令代码 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); // 等待数据发送完成 I2C1->DR = 0x00; // 发送数据 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); // 等待数据发送完成 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; // 发送停止信号 ``` # 5. STM32单片机实战案例 ### 5.1 LED控制 #### 5.1.1 GPIO配置 **代码块：** ```c /* GPIO初始化 */ void GPIO_Init(void) { /* 使能GPIOA时钟 */ RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; /* 配置GPIOA.5为输出模式 */ GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE5); GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE5_0; } ``` **逻辑分析：** * RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;：使能GPIOA时钟，确保GPIOA外设可以正常工作。 * GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE5);：清除GPIOA.5的模式位，将其复位为输入模式。 * GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE5_0;：设置GPIOA.5的模式位为输出模式。 #### 5.1.2 定时器配置 **代码块：** ```c /* 定时器初始化 */ void TIM_Init(void) { /* 使能TIM2时钟 */ RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; /* 配置TIM2为向上计数模式 */ TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR); /* 设置TIM2的预分频系数为99 */ TIM2->PSC = 99; /* 设置TIM2的重装载值 */ TIM2->ARR = 1000; /* 使能TIM2中断 */ TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; /* 启动TIM2 */ TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; } ``` **逻辑分析：** * RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;：使能TIM2时钟，确保TIM2外设可以正常工作。 * TIM2->CR1 &= ~(TIM_CR1_DIR);：清除TIM2的计数方向位，将其设置为向上计数模式。 * TIM2->PSC = 99;：设置TIM2的预分频系数为99，即TIM2的时钟频率为系统时钟频率的100分之一。 * TIM2->ARR = 1000;：设置TIM2的重装载值，即TIM2每1000个时钟周期计数一次。 * TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;：使能TIM2的中断，以便在TIM2计数溢出时产生中断。 * TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;：启动TIM2，开始计数。 ### 5.2 温度测量 #### 5.2.1 传感器连接 **表格：** | 传感器 | 引脚 | 连接 | |---|---|---| | LM35 | VCC | 5V | | LM35 | GND | GND | | LM35 | OUT | PA0 | **说明：** * LM35温度传感器通过VCC和GND引脚连接到电源和地。 * LM35的OUT引脚连接到GPIOA.0，用于采集温度数据。 #### 5.2.2 数据采集和处理 **代码块：** ```c /* 温度采集函数 */ float GetTemperature(void) { /* 读取ADC值 */ uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1); /* 计算温度值 */ float temperature = (float)adcValue * 0.48828125; /* 返回温度值 */ return temperature; } ``` **逻辑分析：** * ADC_GetConversionValue(ADC1);：读取ADC1的转换值，即温度传感器的输出电压对应的ADC值。 * float temperature = (float)adcValue * 0.48828125;：将ADC值转换为温度值。LM35温度传感器的输出电压与温度成线性关系，转换系数为0.48828125。 * 返回温度值：返回计算得到的温度值。 # 6.1 实时操作系统（RTOS） ### 6.1.1 RTOS简介和选择 **实时操作系统（RTOS）**是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统，它能够保证系统在实时约束下可靠、可预测地运行。RTOS提供了任务管理、调度、同步和通信等基本服务，使开发者能够构建复杂的嵌入式系统。 **选择RTOS时需要考虑以下因素：** - **实时性要求：**RTOS必须能够满足系统的实时约束，如响应时间和时延。 - **内存占用：**RTOS的内存占用必须与系统的资源限制相匹配。 - **功能特性：**RTOS应提供所需的特性，如任务管理、调度算法、同步机制和通信协议。 - **支持的硬件平台：**RTOS必须与系统的硬件平台兼容。 - **开发工具：**RTOS应提供完善的开发工具，如IDE、调试器和文档。 ### 6.1.2 任务管理和调度 **任务管理**是RTOS的核心功能之一，它负责创建、管理和销毁任务。**任务**是一个独立的执行线程，它具有自己的栈和程序计数器。 **调度**是RTOS负责决定哪个任务在某个时刻执行的过程。常见的调度算法包括： - **先来先服务（FCFS）：**任务按照到达顺序执行。 - **轮转调度（RR）：**任务轮流执行，每个任务获得一个固定的时间片。 - **优先级调度：**任务根据优先级执行，优先级高的任务优先执行。 **任务调度算法的选择取决于系统的实时性要求和资源限制。**

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