STM32单片机编程实战指南：C语言实战，快速上手

# 1. STM32单片机简介及开发环境搭建

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它以其高性能、低功耗和丰富的外设而著称，广泛应用于工业控制、物联网、汽车电子等领域。

### 1.1 STM32单片机特点

STM32单片机的特点包括：

- 基于ARM Cortex-M内核，性能强劲
- 低功耗设计，适合电池供电设备
- 丰富的片上外设，如GPIO、定时器、串口、ADC等
- 高度集成的开发环境，简化开发过程

### 1.2 开发环境搭建

STM32单片机的开发环境搭建主要包括以下步骤：

1. 安装Keil MDK软件（开发工具）
2. 安装STMicroelectronics的STM32CubeMX工具（外设配置工具）
3. 安装ST-Link调试器（调试工具）
4. 配置Keil MDK软件的编译器和调试器选项

# 2. C语言基础语法及STM32开发环境应用

### 2.1 C语言基础语法

#### 2.1.1 数据类型和变量

**数据类型**

C语言中定义了多种数据类型，用于表示不同类型的数值和字符。主要的数据类型包括：

- 整数类型：int、short、long、long long
- 浮点数类型：float、double、long double
- 字符类型：char、wchar_t
- 布尔类型：bool

**变量**

变量是用于存储数据的内存空间。在使用变量之前，需要对其进行声明，声明包括数据类型和变量名。例如：

int num;
float temp;
char letter;

#### 2.1.2 运算符和表达式

**运算符**

运算符用于对操作数进行各种操作。C语言中常用的运算符包括：

- 算术运算符：+、-、*、/、%
- 关系运算符：==、!=、>、<、>=、<=
- 逻辑运算符：&&、||、!
- 位运算符：<<、>>、&、|、^

**表达式**

表达式是一组运算符和操作数组合在一起形成的语句。表达式可以求值，得到一个结果。例如：

int result = 10 + 5;

#### 2.1.3 控制流语句

**条件语句**

条件语句用于根据条件执行不同的代码块。常用的条件语句包括：

- if-else 语句
- switch-case 语句

**循环语句**

循环语句用于重复执行一段代码块。常用的循环语句包括：

- for 循环
- while 循环
- do-while 循环

### 2.2 STM32开发环境应用

#### 2.2.1 Keil MDK简介

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）是ARM公司提供的一款STM32单片机开发环境，包括编译器、调试器、仿真器等工具。

#### 2.2.2 创建和编译STM32工程

在Keil MDK中创建STM32工程的步骤：

1. 打开Keil MDK，选择 **File** -> **New** -> **uVision Project**。
2. 在 **New Project Wizard** 中，选择目标设备、编译器版本等信息。
3. 点击 **OK** 创建工程。

编译工程的步骤：

1. 点击 **Build** -> **Build Target**。
2. 编译成功后，会在工程目录下生成可执行文件（.hex）。

#### 2.2.3 调试和仿真

**调试**

调试用于检测和修复代码中的错误。在Keil MDK中，可以通过设置断点、单步执行等方式进行调试。

**仿真**

仿真用于在实际硬件上运行代码，验证代码的正确性。在Keil MDK中，可以通过连接仿真器，使用 **Debug** -> **Start/Stop Debug Session** 选项进行仿真。

**代码示例：**

// main.c
#include <stm32f10x.h>

int main(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 初始化GPIOC第13引脚为输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

    while (1) {
        // 设置GPIOC第13引脚为高电平
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时1秒
        Delay(1000);
        // 设置GPIOC第13引脚为低电平
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时1秒
        Delay(1000);
    }
}

**代码逻辑分析：**

- 初始化GPIOC第13引脚为输出模式。
- 在一个无限循环中，交替设置GPIOC第13引脚为高电平和低电平，并延时1秒。
- 延时函数 **Delay** 由STM32标准库提供，用于产生指定时间的延时。

# 3. STM32单片机外设编程

STM32单片机外设丰富，功能强大，本章节将介绍STM32单片机的GPIO、定时器和串口外设的编程方法。

### 3.1 GPIO编程

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32单片机最基本的I/O外设，可以用于控制外部设备的输入输出操作。

#### 3.1.1 GPIO的结构和配置

STM32单片机的GPIO外设由16个GPIO端口组成，每个端口有16个GPIO引脚。GPIO端口的寄存器结构如下：

typedef struct {
    uint32_t MODER;  // 模式寄存器
    uint32_t OTYPER; // 输出类型寄存器
    uint32_t OSPEEDR; // 输出速度寄存器
    uint32_t PUPDR;  // 上拉/下拉寄存器
    uint32_t IDR;   // 输入数据寄存器
    uint32_t ODR;   // 输出数据寄存器
    uint32_t BSRR;  // 位设置/复位寄存器
    uint32_t LCKR;  // 锁定寄存器
    uint32_t AFR[2]; // 备用功能寄存器
} GPIO_TypeDef;

GPIO的配置主要通过设置MODER寄存器来实现，MODER寄存器的每两位对应一个GPIO引脚的模式配置，可以配置为输入模式、输出模式、推挽输出模式或开漏输出模式。

#### 3.1.2 GPIO的输入输出操作

GPIO的输入输出操作可以通过设置ODR寄存器来实现。当ODR寄存器的某一位为1时，对应的GPIO引脚输出高电平；当ODR寄存器的某一位为0时，对应的GPIO引脚输出低电平。

GPIO的输入操作可以通过读取IDR寄存器来实现。IDR寄存器的每一位对应一个GPIO引脚的输入状态，当IDR寄存器的某一位为1时，对应的GPIO引脚输入高电平；当IDR寄存器的某一位为0时，对应的GPIO引脚输入低电平。

### 3.2 定时器编程

定时器是STM32单片机常用的外设，可以用于产生定时中断、产生PWM波形、捕获外部信号等。

#### 3.2.1 定时器的结构和配置

STM32单片机有16个定时器，分为通用定时器和高级定时器两种类型。通用定时器主要用于产生定时中断和PWM波形，高级定时器功能更丰富，可以用于产生定时中断、PWM波形、捕获外部信号、输出比较等。

定时器的寄存器结构如下：

typedef struct {
    uint32_t CR1;   // 控制寄存器1
    uint32_t CR2;   // 控制寄存器2
    uint32_t SMCR;  // 状态和模式寄存器
    uint32_t DIER;  // 中断和事件寄存器
    uint32_t SR;    // 状态寄存器
    uint32_t EGR;   // 事件生成寄存器
    uint32_t CCMR1; // 捕获/比较模式寄存器1
    uint32_t CCMR2; // 捕获/比较模式寄存器2
    uint32_tCCER;  // 捕获/比较使能寄存器
    uint32_t CNT;   // 计数器寄存器
    uint32_t PSC;   // 预分频器寄存器
    uint32_t ARR;   // 自动重装载寄存器
    uint32_t RCR;   // 重复计数器寄存器
    uint32_t CCR1;  // 捕获/比较寄存器1
    uint32_t CCR2;  // 捕获/比较寄存器2
    uint32_t CCR3;  // 捕获/比较寄存器3
    uint32_t CCR4;  // 捕获/比较寄存器4
} TIM_TypeDef;

定时器的配置主要通过设置CR1寄存器和ARR寄存器来实现。CR1寄存器的CEN位用于使能定时器，ARR寄存器的值用于设置定时器的重装载值。

#### 3.2.2 定时器的基本操作

定时器的基本操作包括启动定时器、停止定时器、设置定时器中断等。

启动定时器可以通过设置CR1寄存器的CEN位为1来实现。

停止定时器可以通过设置CR1寄存器的CEN位为0来实现。

设置定时器中断可以通过设置DIER寄存器的UIE位为1来实现。

#### 3.2.3 定时器的高级应用

定时器的高级应用包括产生PWM波形、捕获外部信号、输出比较等。

产生PWM波形可以通过设置定时器的CCMR1寄存器和CCER寄存器来实现。

捕获外部信号可以通过设置定时器的CCMR1寄存器和CCER寄存器来实现。

输出比较可以通过设置定时器的CCMR1寄存器和CCER寄存器来实现。

### 3.3 串口编程

串口是STM32单片机常用的外设，可以用于与外部设备进行数据通信。

#### 3.3.1 串口的结构和配置

STM32单片机有6个串口，分为USART和UART两种类型。USART是通用同步异步收发器，UART是通用异步收发器。

串口的寄存器结构如下：

typedef struct {
    uint32_t SR;   // 状态寄存器
    uint32_t DR;   // 数据寄存器
    uint32_t BRR;  // 波特率寄存器
    uint32_t CR1;  // 控制寄存器1
    uint32_t CR2;  // 控制寄存器2
    uint32_t CR3;  // 控制寄存器3
    uint32_t GTPR; // 保证时间和预分频器寄存器
} USART_TypeDef;

串口的配置主要通过设置CR1寄存器和BRR寄存器来实现。CR1寄存器的UE位用于使能串口，BRR寄存器的值用于设置串口的波特率。

#### 3.3.2 串口的发送和接收

串口的发送和接收操作可以通过设置DR寄存器来实现。

串口的发送操作可以通过向DR寄存器写入数据来实现。

串口的接收操作可以通过读取DR寄存器来实现。

#### 3.3.3 串口的协议和应用

串口可以用于实现多种通信协议，如UART协议、RS-232协议、RS-485协议等。

串口在实际应用中非常广泛，如数据采集、设备控制、人机交互等。

# 4.1 中断基础

### 4.1.1 中断的分类和优先级

中断可以根据其来源和处理方式进行分类：

- **硬件中断：**由外部设备或内部外设（如定时器、串口等）产生的中断。
- **软件中断：**由软件指令（如SVC、BKPT等）产生的中断。

中断的优先级决定了中断处理的顺序。STM32单片机支持多级中断优先级，每个中断源都有一个优先级值。优先级较高的中断将在优先级较低的中断之前处理。

### 4.1.2 中断的处理流程

当一个中断发生时，CPU会执行以下步骤：

1. **保存当前上下文：**CPU将当前程序计数器（PC）、程序状态寄存器（PSR）和寄存器值压入堆栈。
2. **跳转到中断向量表：**CPU根据中断源的优先级跳转到中断向量表中对应的中断服务函数（ISR）地址。
3. **执行ISR：**ISR处理中断并执行必要的操作。
4. **恢复上下文：**ISR执行完毕后，CPU从堆栈中恢复保存的上下文，并继续执行中断发生前的程序。

## 4.2 STM32中断编程

### 4.2.1 中断向量表

STM32单片机的中断向量表位于存储器地址0x0000 0000。它包含了一系列中断向量，每个向量对应一个特定的中断源。当一个中断发生时，CPU会根据中断源的优先级跳转到对应的中断向量。

// 中断向量表
void Reset_Handler(void);
void NMI_Handler(void);
void HardFault_Handler(void);
void MemManage_Handler(void);
void BusFault_Handler(void);
void UsageFault_Handler(void);
void SVC_Handler(void);
void DebugMon_Handler(void);
void PendSV_Handler(void);
void SysTick_Handler(void);
void WWDG_IRQHandler(void);
void PVD_IRQHandler(void);
void TAMP_STAMP_IRQHandler(void);
void RTC_WKUP_IRQHandler(void);
void FLASH_IRQHandler(void);
void RCC_IRQHandler(void);
void EXTI0_IRQHandler(void);
void EXTI1_IRQHandler(void);
void EXTI2_IRQHandler(void);
void EXTI3_IRQHandler(void);
void EXTI4_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream0_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream1_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream2_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream3_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream4_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream5_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream6_IRQHandler(void);
void ADC1_2_IRQHandler(void);
void CAN1_TX_IRQHandler(void);
void CAN1_RX0_IRQHandler(void);
void CAN1_RX1_IRQHandler(void);
void CAN1_SCE_IRQHandler(void);
void EXTI9_5_IRQHandler(void);
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void);
void TIM1_UP_TIM10_IRQHandler(void);
void TIM1_TRG_COM_TIM11_IRQHandler(void);
void TIM1_CC_IRQHandler(void);
void TIM2_IRQHandler(void);
void TIM3_IRQHandler(void);
void TIM4_IRQHandler(void);
void I2C1_EV_IRQHandler(void);
void I2C1_ER_IRQHandler(void);
void I2C2_EV_IRQHandler(void);
void I2C2_ER_IRQHandler(void);
void SPI1_IRQHandler(void);
void SPI2_IRQHandler(void);
void USART1_IRQHandler(void);
void USART2_IRQHandler(void);
void USART3_IRQHandler(void);
void EXTI15_10_IRQHandler(void);
void RTC_Alarm_IRQHandler(void);
void OTG_FS_WKUP_IRQHandler(void);
void TIM8_BRK_TIM12_IRQHandler(void);
void TIM8_UP_TIM13_IRQHandler(void);
void TIM8_TRG_COM_TIM14_IRQHandler(void);
void TIM8_CC_IRQHandler(void);
void DMA1_Stream7_IRQHandler(void);
void FMC_IRQHandler(void);
void SDIO_IRQHandler(void);
void TIM5_IRQHandler(void);
void SPI3_IRQHandler(void);
void UART4_IRQHandler(void);
void UART5_IRQHandler(void);
void TIM6_DAC_IRQHandler(void);
void TIM7_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream0_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream1_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream2_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream3_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream4_IRQHandler(void);
void ETH_IRQHandler(void);
void ETH_WKUP_IRQHandler(void);
void CAN2_TX_IRQHandler(void);
void CAN2_RX0_IRQHandler(void);
void CAN2_RX1_IRQHandler(void);
void CAN2_SCE_IRQHandler(void);
void OTG_FS_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream5_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream6_IRQHandler(void);
void DMA2_Stream7_IRQHandler(void);
void USART6_IRQHandler(void);
void I2C3_EV_IRQHandler(void);
void I2C3_ER_IRQHandler(void);
void OTG_HS_EP1_OUT_IRQHandler(void);
void OTG_HS_EP1_IN_IRQHandler(void);
void OTG_HS_WKUP_IRQHandler(void);
void OTG_HS_IRQHandler(void);
void DCMI_IRQHandler(void);
void CRYP_IRQHandler(void);
void HASH_RNG_IRQHandler(void);
void FPU_IRQHandler(void);
void UART7_IRQHandler(void);
void UART8_IRQHandler(void);
void SPI4_IRQHandler(void);
void SPI5_IRQHandler(void);
void SPI6_IRQHandler(void);
void SAI1_IRQHandler(void);
void LCD_TFT_IRQHandler(void);
void LPTIM1_IRQHandler(void);
void TIM22_IRQHandler(void);
void TIM23_IRQHandler(void);
void TIM24_IRQHandler(void);
void TIM25_IRQHandler(void);
void TIM26_IRQHandler(void);
void TIM27_IRQHandler(void);
void I2C4_EV_IRQHandler(void);
void I2C4_ER_IRQHandler(void);
void SPI7_IRQHandler(void);
void FMPI2C1_EV_IRQHandler(void);
void FMPI2C1_ER_IRQHandler(void);
void LPUART1_IRQHandler(void);
void QUADSPI_IRQHandler(void);
void I2C5_EV_IRQHandler(void);
void I2C5_ER_IRQHandler(void);
void SPI8_IRQHandler(void);
void CCIPI_IRQHandler(void);
void FMC_SDMMC1_IRQHandler(void);

### 4.2.2 中断服务函数

中断服务函数（ISR）是响应中断而执行的代码。ISR必须定义为`__attribute__((interrupt("IRQ"))) `，并位于中断向量表中对应的地址。

// 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 执行中断处理操作
    // ...
}

### 4.2.3 中断使能和禁止

中断可以通过设置或清除中断使能寄存器（ISER）或中断禁止寄存器（ICER）来使能或禁止。

// 使能中断
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

// 禁止中断
NVIC_DisableIRQ(TIM2_IRQn);

# 5.1 ADC编程

### 5.1.1 ADC的结构和配置

STM32单片机集成了多个ADC模块，每个模块包含多个通道，可以将模拟信号转换成数字信号。ADC模块的结构主要包括：

- **采样保持电路：**用于对模拟信号进行采样并保持，以保证在转换过程中信号不会发生变化。
- **模数转换器：**将采样后的模拟信号转换成数字信号。
- **参考电压源：**提供ADC模块的参考电压，通常为3.3V或5V。
- **控制寄存器：**用于配置ADC模块的工作模式、采样时间、转换速率等参数。

ADC模块的配置需要通过寄存器进行，主要包括：

- **ADC_CR1寄存器：**控制ADC模块的使能、采样时间、转换速率等参数。
- **ADC_CR2寄存器：**控制ADC模块的触发源、通道选择、连续转换模式等参数。
- **ADC_SMPRx寄存器：**控制各通道的采样时间。

### 5.1.2 ADC的采样和转换

ADC模块的采样和转换过程主要分为以下几个步骤：

1. **采样：**ADC模块通过采样保持电路对模拟信号进行采样，并将其保持在采样保持电容上。
2. **保持：**采样保持电路将采样后的信号保持一段时间，以保证在转换过程中信号不会发生变化。
3. **转换：**模数转换器将采样保持电路中的模拟信号转换成数字信号。
4. **读数：**转换完成后的数字信号可以通过ADC数据寄存器读取。

### 5.1.3 ADC的高级应用

除了基本采样和转换功能外，STM32 ADC模块还支持一些高级应用，例如：

- **DMA传输：**支持通过DMA控制器将ADC转换结果直接传输到内存中，提高数据传输效率。
- **中断触发：**支持通过中断触发ADC转换，当ADC转换完成时产生中断，提高程序响应速度。
- **多通道扫描：**支持同时对多个通道进行采样和转换，提高数据采集效率。

以下代码示例演示了如何使用STM32 ADC模块进行单次转换：

// 使能ADC模块
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;

// 配置ADC模块
ADC1->CR1 = ADC_CR1_EOCIE | ADC_CR1_SCAN;
ADC1->CR2 = ADC_CR2_ADON;

// 启动ADC转换
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

// 等待转换完成
while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));

// 读取ADC转换结果
uint16_t adc_value = ADC1->DR;

代码逻辑逐行解读：

- 使能ADC模块的时钟。
- 配置ADC模块的工作模式、采样时间、转换速率等参数。
- 启动ADC转换。
- 等待转换完成。
- 读取ADC转换结果。

# 6. STM32单片机项目实战

### 6.1 LED灯控制系统

#### 6.1.1 需求分析和系统设计

**需求分析：**

* 控制多个LED灯的亮灭状态
* 通过按钮或其他输入设备进行控制
* 具有可扩展性，便于增加或减少LED灯的数量

**系统设计：**

* 使用STM32单片机作为控制核心
* 使用GPIO端口控制LED灯的亮灭
* 使用按钮或其他输入设备作为控制信号
* 采用模块化设计，便于扩展

#### 6.1.2 软件实现和调试

**软件实现：**

1. 初始化GPIO端口，配置为输出模式
2. 初始化输入设备，配置为中断模式
3. 在中断服务函数中处理输入信号，控制LED灯的亮灭
4. 编写主循环程序，不断扫描输入设备的状态

**调试：**

1. 检查GPIO端口的配置是否正确
2. 检查输入设备的中断配置是否正确
3. 检查中断服务函数的逻辑是否正确
4. 检查主循环程序的逻辑是否正确

### 6.2 温度检测与显示系统

#### 6.2.1 需求分析和系统设计

**需求分析：**

* 检测环境温度
* 将温度值显示在LCD屏幕上
* 具有温度报警功能

**系统设计：**

* 使用STM32单片机作为控制核心
* 使用温度传感器检测温度
* 使用LCD屏幕显示温度值
* 使用蜂鸣器作为报警输出

#### 6.2.2 软件实现和调试

**软件实现：**

1. 初始化温度传感器，配置为中断模式
2. 初始化LCD屏幕，配置为显示模式
3. 初始化蜂鸣器，配置为输出模式
4. 在中断服务函数中处理温度传感器的数据，计算温度值
5. 在主循环程序中更新LCD屏幕上的温度值
6. 当温度值超过设定阈值时，触发蜂鸣器报警

**调试：**

1. 检查温度传感器的配置是否正确
2. 检查LCD屏幕的配置是否正确
3. 检查蜂鸣器的配置是否正确
4. 检查中断服务函数的逻辑是否正确
5. 检查主循环程序的逻辑是否正确