STM32单片机编程实战指南:C语言实战,快速上手

发布时间: 2024-07-02 06:46:08 阅读量: 493 订阅数: 61
![STM32单片机编程实战指南:C语言实战,快速上手](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7bccd48cc923d795c1895b27b8100291.png) # 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: ```c 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: ```c 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:** ```c // 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: ```c 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: ```c 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: ```c 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。 ```c // 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。 ```c // 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: ```c // 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
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