STM32单片机C语言编程精要：5步掌握项目实战，告别纸上谈兵

# 1. STM32单片机基础**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一系列32位微控制器，基于ARM Cortex-M内核。它具有高性能、低功耗和丰富的外设，广泛应用于工业控制、医疗设备、物联网等领域。

本章将介绍STM32单片机的基本架构、外设资源和编程环境，为后续章节的学习打下基础。我们将了解STM32单片机的处理器内核、存储器结构、时钟系统和总线接口，以及如何使用Keil MDK和IAR Embedded Workbench等开发工具进行编程。

# 2. C语言在STM32单片机中的应用

### 2.1 数据类型和变量

在STM32单片机中，C语言提供了多种数据类型来表示不同类型的变量。常用的数据类型包括：

| 数据类型 | 描述 |
|---|---|
| char | 8位有符号整数 |
| unsigned char | 8位无符号整数 |
| int | 16位有符号整数 |
| unsigned int | 16位无符号整数 |
| long | 32位有符号整数 |
| unsigned long | 32位无符号整数 |
| float | 32位浮点数 |
| double | 64位浮点数 |

变量是用来存储数据的内存区域。每个变量都有一个数据类型，该类型决定了变量可以存储的值的范围和类型。例如，一个char类型的变量可以存储-128到127之间的值，而一个int类型的变量可以存储-32768到32767之间的值。

### 2.2 运算符和表达式

运算符用于对变量和常量进行操作。C语言提供了多种运算符，包括：

| 运算符 | 描述 |
|---|---|
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| % | 取模 |
| ++ | 自增 |
| -- | 自减 |
| = | 赋值 |
| == | 等于 |
| != | 不等于 |
| < | 小于 |
| > | 大于 |
| <= | 小于等于 |
| >= | 大于等于 |

表达式是由变量、常量和运算符组合而成的。表达式可以用来计算值或比较值。例如，表达式`x + y`计算变量x和y的和，而表达式`x == y`比较变量x和y是否相等。

### 2.3 流程控制语句

流程控制语句用于控制程序的执行流程。C语言提供了多种流程控制语句，包括：

| 流程控制语句 | 描述 |
|---|---|
| if | 条件语句 |
| else | else语句 |
| switch | switch语句 |
| while | while循环 |
| do...while | do...while循环 |
| for | for循环 |

条件语句用于根据条件执行不同的代码块。else语句用于在条件不满足时执行不同的代码块。switch语句用于根据变量的值执行不同的代码块。循环语句用于重复执行代码块。

### 2.4 函数和数组

函数是代码的重用单元。函数可以接收参数，并返回一个值。数组是存储相同类型数据的集合。数组中的元素可以通过索引访问。

在STM32单片机中，函数和数组广泛用于实现各种功能。例如，函数可以用于计算值，而数组可以用于存储数据。

#### 代码示例：

// 函数示例
int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

// 数组示例
int array[10];

#### 代码逻辑分析：

* `add`函数接收两个整型参数，并返回它们的和。
* `array`数组是一个包含10个整型元素的数组。

# 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。GPIO引脚可以配置为输入、输出或模拟输入/输出模式。

#### 3.1.1 GPIO配置

要配置GPIO引脚，需要使用以下寄存器：

* **GPIOx_MODER**：模式寄存器，用于设置引脚模式。
* **GPIOx_OTYPER**：输出类型寄存器，用于设置引脚输出类型（推挽或开漏）。
* **GPIOx_OSPEEDR**：输出速度寄存器，用于设置引脚输出速度。
* **GPIOx_PUPDR**：上拉/下拉寄存器，用于设置引脚的上拉/下拉电阻。

#### 3.1.2 GPIO操作

配置GPIO引脚后，可以使用以下函数对引脚进行操作：

* **HAL_GPIO_WritePin()**：将引脚设置为高电平或低电平。
* **HAL_GPIO_ReadPin()**：读取引脚的电平。
* **HAL_GPIO_TogglePin()**：翻转引脚的电平。

#### 代码示例

/* 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式 */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

/* 读取GPIOA的第5个引脚的电平 */
uint8_t pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

### 3.2 定时器编程

定时器是STM32单片机中另一个重要的外设，它允许单片机生成精确的时间间隔和脉冲。STM32单片机有多种不同的定时器，每种定时器都有其独特的特性。

#### 3.2.1 定时器配置

要配置定时器，需要使用以下寄存器：

* **TIMx_CR1**：控制寄存器1，用于设置定时器模式、时钟源和计数方向。
* **TIMx_PSC**：预分频寄存器，用于设置定时器时钟的预分频值。
* **TIMx_ARR**：自动重装载寄存器，用于设置定时器的重装载值。

#### 3.2.2 定时器操作

配置定时器后，可以使用以下函数对定时器进行操作：

* **HAL_TIM_Base_Start()**：启动定时器。
* **HAL_TIM_Base_Stop()**：停止定时器。
* **HAL_TIM_Base_GetCounter()**：获取定时器的当前计数值。

#### 代码示例

/* 配置TIM2为向上计数模式，时钟源为APB1，预分频值为10000 */
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 10000;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

/* 启动TIM2 */
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

/* 获取TIM2的当前计数值 */
uint32_t counter_value = HAL_TIM_Base_GetCounter(&htim2);

### 3.3 串口编程

串口是STM32单片机中用于与外部设备进行串行通信的外设。STM32单片机有多个串口，每个串口都有其独特的特性。

#### 3.3.1 串口配置

要配置串口，需要使用以下寄存器：

* **USARTx_CR1**：控制寄存器1，用于设置串口模式、波特率和数据格式。
* **USARTx_BRR**：波特率寄存器，用于设置串口的波特率。
* **USARTx_DR**：数据寄存器，用于发送和接收数据。

#### 3.3.2 串口操作

配置串口后，可以使用以下函数对串口进行操作：

* **HAL_UART_Transmit()**：发送数据。
* **HAL_UART_Receive()**：接收数据。
* **HAL_UART_TransmitReceive()**：同时发送和接收数据。

#### 代码示例

/* 配置USART1为8位数据位、无奇偶校验、1个停止位，波特率为9600 */
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 9600;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
HAL_UART_Init(&huart1);

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

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

### 3.4 ADC编程

ADC（模数转换器）是STM32单片机中用于将模拟信号转换为数字信号的外设。STM32单片机有多个ADC，每个ADC都有其独特的特性。

#### 3.4.1 ADC配置

要配置ADC，需要使用以下寄存器：

* **ADCx_CR1**：控制寄存器1，用于设置ADC模式、采样时间和转换时钟。
* **ADCx_SQR1**：顺序寄存器1，用于设置ADC转换序列。
* **ADCx_DR**：数据寄存器，用于存储转换结果。

#### 3.4.2 ADC操作

配置ADC后，可以使用以下函数对ADC进行操作：

* **HAL_ADC_Start()**：启动ADC。
* **HAL_ADC_Stop()**：停止ADC。
* **HAL_ADC_GetValue()**：获取ADC转换结果。

#### 代码示例

/* 配置ADC1为单次转换模式，采样时间为239.5周期，转换时钟为APB2时钟 */
ADC_HandleTypeDef hadc1;
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCKPRESCALER_PCLK_DIV4;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.NbrOfDiscConversion = 1;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
HAL_ADC_Init(&hadc1);

/* 启动ADC */
HAL_ADC_Start(&hadc1);

/* 获取ADC转换结果 */
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

# 4. STM32单片机项目实战

### 4.1 LED闪烁程序

#### 硬件连接

* 将LED灯的正极连接到STM32单片机的GPIO引脚。
* 将LED灯的负极连接到地线。

#### 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化GPIO引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 循环闪烁LED灯
    while (1)
    {
        // 打开LED灯
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
        // 延时1秒
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 关闭LED灯
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
        // 延时1秒
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化GPIO引脚，配置为推挽输出模式。
* 进入无限循环，交替打开和关闭LED灯，每次延时1秒。
* `GPIO_SetBits`函数将指定引脚置为高电平，打开LED灯。
* `GPIO_ResetBits`函数将指定引脚置为低电平，关闭LED灯。

### 4.2 按键检测程序

#### 硬件连接

* 将按键的两个引脚连接到STM32单片机的GPIO引脚。
* 将按键的公共端连接到地线。

#### 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化GPIO引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 循环检测按键
    while (1)
    {
        // 检测按键是否按下
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0)
        {
            // 按键按下，执行相应操作
            // ...
        }
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化GPIO引脚，配置为上拉输入模式。
* 进入无限循环，不断检测按键是否按下。
* `GPIO_ReadInputDataBit`函数读取指定引脚的电平，当引脚为低电平时表示按键按下。
* 按下按键后，可以执行相应的操作，如显示信息、控制LED灯等。

### 4.3 串口通信程序

#### 硬件连接

* 将STM32单片机的串口引脚连接到外部设备的串口引脚。

#### 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化串口
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // 循环发送和接收数据
    while (1)
    {
        // 发送数据
        USART_SendData(USART1, 'A');
        // 等待发送完成
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
        // 接收数据
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        // 处理接收到的数据
        // ...
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化串口，配置波特率、数据位、停止位等参数。
* 进入无限循环，交替发送和接收数据。
* `USART_SendData`函数发送一个字节的数据。
* `USART_GetFlagStatus`函数检查发送完成标志位，确保数据已发送完毕。
* `USART_ReceiveData`函数接收一个字节的数据。
* 接收到的数据可以根据需要进行处理，如显示信息、控制设备等。

### 4.4 ADC采集程序

#### 硬件连接

* 将模拟信号源连接到STM32单片机的ADC引脚。

#### 代码实现

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
    // 初始化ADC
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // 循环采集ADC数据
    while (1)
    {
        // 启动ADC转换
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
        // 等待转换完成
        while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
        // 读取转换结果
        uint16_t data = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        // 处理采集到的数据
        // ...
    }
}

#### 代码逻辑分析

* 初始化ADC，配置转换模式、采样时间等参数。
* 进入无限循环，不断采集ADC数据。
* `ADC_SoftwareStartConvCmd`函数启动ADC转换。
* `ADC_GetFlagStatus`函数检查转换完成标志位，确保转换已完成。
* `ADC_GetConversionValue`函数读取转换结果。
* 采集到的数据可以根据需要进行处理，如显示信息、控制设备等。

# 5.1 DMA编程

DMA（Direct Memory Access）直接存储器访问，允许外设直接访问存储器，而无需CPU干预。这可以显著提高数据传输速度，特别是在大数据量传输的情况下。

### 5.1.1 DMA原理

DMA控制器通过以下步骤执行数据传输：

1. **配置DMA通道：**指定源地址、目标地址、传输大小和传输方向。
2. **触发DMA传输：**通过软件或硬件触发DMA传输。
3. **数据传输：**DMA控制器在源地址和目标地址之间传输数据，无需CPU参与。
4. **传输完成：**DMA传输完成后，DMA控制器会产生中断。

### 5.1.2 DMA编程步骤

在STM32单片机中，DMA编程通常涉及以下步骤：

1. **使能DMA时钟：**使用RCC_AHBPeriphClockCmd()函数使能DMA时钟。
2. **配置DMA通道：**使用DMA_InitTypeDef结构体配置DMA通道，包括源地址、目标地址、传输大小和传输方向。
3. **初始化DMA通道：**使用DMA_Init()函数初始化DMA通道。
4. **启动DMA传输：**使用DMA_Cmd()函数启动DMA传输。
5. **等待DMA传输完成：**使用DMA_GetFlagStatus()函数等待DMA传输完成。

### 5.1.3 DMA应用示例

以下代码示例演示了如何使用DMA在STM32单片机中传输数据：

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
  // 使能DMA时钟
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

  // 配置DMA通道1
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
  DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_1;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)data;
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 100;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
  DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
  DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

  // 启动DMA传输
  DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

  // 等待DMA传输完成
  while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1) == RESET);

  return 0;
}

在该示例中，DMA通道1被配置为将100个字节的数据从数组`data`传输到USART1的外设寄存器`DR`。