【STM32单片机实战指南】：从入门到精通的系统学习宝典

# 1. STM32单片机基础与环境搭建

STM32单片机是意法半导体公司生产的高性能32位微控制器，广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备等领域。本章将介绍STM32单片机的基础知识和开发环境搭建。

### 1.1 STM32单片机简介

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗、丰富的外设等特点。其主要特点包括：

- 基于ARM Cortex-M内核，主频高达216MHz
- 集成丰富的片上外设，如GPIO、定时器、ADC、UART等
- 支持多种存储器接口，如Flash、SRAM、EEPROM
- 采用低功耗设计，支持多种睡眠模式

# 2. STM32单片机硬件架构与编程基础

### 2.1 STM32单片机的硬件架构

#### 2.1.1 核心架构和外设

STM32单片机采用ARM Cortex-M系列内核，具有高性能、低功耗的特点。常见的内核包括Cortex-M0、Cortex-M3和Cortex-M4等。

STM32单片机集成了丰富的片上外设，包括GPIO、定时器、ADC、UART、SPI和I2C等。这些外设通过总线连接到内核，提供各种功能。

#### 2.1.2 时钟系统和中断机制

STM32单片机具有多级时钟系统，包括高速时钟（HSI）、低速时钟（LSI）、外部时钟（HSE）和PLL时钟。时钟系统为单片机提供稳定的时基。

STM32单片机支持多级中断机制，包括NVIC（嵌套向量中断控制器）和内核中断。中断机制允许单片机在发生特定事件时暂停当前任务并执行中断服务程序。

### 2.2 STM32单片机的编程基础

#### 2.2.1 C语言基础

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，具有高效、可移植性强等特点。STM32单片机开发环境提供了C语言编译器和调试器。

#### 2.2.2 STM32单片机开发环境

STM32单片机开发环境包括集成开发环境（IDE）、编译器、调试器和库函数。常用的IDE包括Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STM32CubeIDE。编译器将C语言代码编译成机器码，调试器用于调试程序。库函数提供了丰富的功能，简化了开发过程。

**代码块：STM32CubeIDE开发环境**

//STM32CubeIDE开发环境
#include "stm32f10x.h"
int main(void)
{
  //初始化GPIO
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
  GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0;
  GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0;

  //循环点亮LED
  while (1)
  {
    //点亮LED
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS0;
    //延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    //熄灭LED
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR0;
    //延时
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
  }
}

**逻辑分析：**

* 第1行：包含STM32F10x标准库头文件。
* 第4行：初始化GPIOA时钟。
* 第5行：将GPIOA的0号引脚配置为输出模式。
* 第8行：进入死循环。
* 第10行：点亮GPIOA的0号引脚上的LED。
* 第12-13行：延时1000000个时钟周期。
* 第15行：熄灭GPIOA的0号引脚上的LED。
* 第17-18行：延时1000000个时钟周期。

# 3. STM32单片机外设编程

### 3.1 GPIO编程

#### 3.1.1 GPIO简介和配置

**GPIO简介**

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32单片机中的一种通用输入/输出端口，可以用于连接外部设备、控制LED灯、读取按键等。每个GPIO端口都有两个寄存器：GPIOx_MODER（模式寄存器）和GPIOx_ODR（数据寄存器）。

**GPIO配置**

在使用GPIO之前，需要进行配置，包括设置模式、速率、输出类型等。

* **模式配置：**GPIOx_MODER寄存器用于设置GPIO的模式，有输入、输出、模拟输入、复用功能等模式。
* **速率配置：**GPIOx_OSPEEDR寄存器用于设置GPIO的输出速率，有低速、中速、高速等速率。
* **输出类型配置：**GPIOx_OTYPER寄存器用于设置GPIO的输出类型，有推挽输出、开漏输出等类型。
* **上拉/下拉配置：**GPIOx_PUPDR寄存器用于设置GPIO的上拉/下拉电阻，有上拉、下拉、浮空等状态。

#### 3.1.2 GPIO输入输出操作

**GPIO输入**

GPIO输入操作主要通过读取GPIOx_IDR寄存器来获取输入电平。

// 读取GPIOA第0位输入电平
uint8_t input_value = GPIOA->IDR & 0x01;

**GPIO输出**

GPIO输出操作主要通过设置GPIOx_ODR寄存器来控制输出电平。

// 设置GPIOA第0位输出高电平
GPIOA->ODR |= 0x01;

// 设置GPIOA第0位输出低电平
GPIOA->ODR &= ~0x01;

### 3.2 定时器编程

#### 3.2.1 定时器简介和配置

**定时器简介**

定时器是STM32单片机中用于产生精确时钟信号或测量时间间隔的外设。STM32单片机有多个定时器，每种定时器都有不同的功能和特点。

**定时器配置**

在使用定时器之前，需要进行配置，包括设置时钟源、分频系数、计数模式等。

* **时钟源配置：**定时器x_PSC寄存器用于设置定时器的时钟源，可以是APB1时钟、APB2时钟或外部时钟。
* **分频系数配置：**定时器x_ARR寄存器用于设置定时器的分频系数，可以对时钟源进行分频。
* **计数模式配置：**定时器x_CR1寄存器用于设置定时器的计数模式，有向上计数、向下计数、中心对齐计数等模式。

#### 3.2.2 定时器中断和PWM输出

**定时器中断**

定时器中断是在定时器计数达到指定值时触发的中断。可以通过设置定时器x_DIER寄存器和定时器x_SR寄存器来配置定时器中断。

**PWM输出**

PWM（Pulse Width Modulation）是一种调制脉冲宽度来控制输出功率或速度的技术。STM32单片机中的定时器可以产生PWM输出，通过设置定时器x_CCR寄存器来控制脉冲宽度。

### 3.3 ADC编程

#### 3.3.1 ADC简介和配置

**ADC简介**

ADC（Analog-to-Digital Converter）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，每种ADC都有不同的通道数和采样率。

**ADC配置**

在使用ADC之前，需要进行配置，包括设置采样率、通道选择、分辨率等。

* **采样率配置：**ADCx_SMPR寄存器用于设置ADC的采样率，可以对ADC时钟进行分频。
* **通道选择配置：**ADCx_SQR寄存器用于设置ADC的通道选择，可以选择不同的模拟输入通道。
* **分辨率配置：**ADCx_CR1寄存器用于设置ADC的分辨率，有12位、10位、8位等分辨率。

#### 3.3.2 ADC数据采集和处理

**ADC数据采集**

ADC数据采集主要通过设置ADCx_CR2寄存器来启动转换，然后读取ADCx_DR寄存器来获取转换结果。

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

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

**ADC数据处理**

ADC数据采集后，需要进行处理，包括滤波、校准、单位转换等。

# 4. STM32单片机高级应用

### 4.1 通信接口编程

#### 4.1.1 UART编程

UART（通用异步收发传输器）是一种串行通信接口，广泛用于STM32单片机与其他设备之间的通信。它支持异步通信，这意味着数据位以不同的时间间隔发送，并且没有时钟信号进行同步。

**UART配置**

要使用UART，需要先进行配置，包括波特率、数据位、停止位和奇偶校验。STM32单片机提供了专门的UART寄存器，用于配置这些参数。

// 配置UART1
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;  // 使能UART1时钟
USART1->BRR = 0x341;  // 设置波特率为9600
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;  // 使能发送器和接收器

**UART数据收发**

配置完成后，就可以进行数据收发。STM32单片机提供了发送和接收缓冲区，用于存储待发送和接收到的数据。

// 发送数据
USART1->DR = 0x55;  // 发送数据'U'

// 接收数据
while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));  // 等待接收完成
uint8_t data = USART1->DR;  // 读取接收到的数据

#### 4.1.2 SPI编程

SPI（串行外围接口）是一种同步串行通信接口，用于STM32单片机与高速外设（如存储器、显示器）之间的通信。它支持主从模式，其中STM32单片机可以作为主设备或从设备。

**SPI配置**

SPI配置包括设置时钟极性、时钟相位、数据位和模式。STM32单片机提供了专门的SPI寄存器，用于配置这些参数。

// 配置SPI1
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN;  // 使能SPI1时钟
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_MSTR | SPI_CR1_BR_2;  // 设置主模式和时钟分频
SPI1->CR2 |= SPI_CR2_SSOE | SPI_CR2_NSSP;  // 使能从设备选择和软件NSS

**SPI数据收发**

配置完成后，就可以进行数据收发。STM32单片机提供了发送和接收缓冲区，用于存储待发送和接收到的数据。

// 发送数据
SPI1->DR = 0x55;  // 发送数据'U'

// 接收数据
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE));  // 等待接收完成
uint8_t data = SPI1->DR;  // 读取接收到的数据

#### 4.1.3 I2C编程

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信接口，用于STM32单片机与低速外设（如传感器、EEPROM）之间的通信。它支持多主模式，其中多个设备可以同时作为主设备。

**I2C配置**

I2C配置包括设置时钟频率、从设备地址和模式。STM32单片机提供了专门的I2C寄存器，用于配置这些参数。

// 配置I2C1
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;  // 使能I2C1时钟
I2C1->CR2 |= 0x10;  // 设置时钟频率为100kHz
I2C1->OAR1 |= 0x77;  // 设置从设备地址为0x77

**I2C数据收发**

配置完成后，就可以进行数据收发。STM32单片机提供了发送和接收缓冲区，用于存储待发送和接收到的数据。

// 发送数据
I2C1->DR = 0x55;  // 发送数据'U'
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;  // 启动传输

// 接收数据
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START | I2C_CR1_ACK;  // 启动传输并发送ACK
while (!(I2C1->SR2 & I2C_SR2_RXNE));  // 等待接收完成
uint8_t data = I2C1->DR;  // 读取接收到的数据

# 5. STM32单片机项目实战

### 5.1 智能家居控制系统

#### 5.1.1 系统需求分析和设计

智能家居控制系统是一个基于STM32单片机的物联网应用，旨在提供对家庭电器和设备的远程控制和自动化。系统需求分析包括：

- **功能要求：**
- 远程控制电灯、风扇、空调等电器
- 设置定时任务和场景模式
- 实时监控设备状态和能耗

- **非功能要求：**
- 易用性和用户友好性
- 可靠性和安全性
- 低功耗和低成本

系统设计采用分层架构，包括：

- **感知层：**使用传感器和执行器收集和控制设备数据
- **通信层：**使用Wi-Fi、蓝牙或Zigbee等协议实现设备之间的通信
- **应用层：**提供用户界面和控制逻辑

#### 5.1.2 硬件电路设计和软件实现

**硬件电路设计：**

- STM32单片机作为系统核心
- 传感器和执行器连接到GPIO端口
- Wi-Fi或蓝牙模块用于无线通信

**软件实现：**

- **感知层：**使用FreeRTOS任务管理传感器数据采集和执行器控制
- **通信层：**使用LwIP或其他网络协议栈实现设备之间的通信
- **应用层：**开发移动或Web应用程序提供用户界面和控制功能

// FreeRTOS任务定义
void sensor_task(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 从传感器采集数据
    vTaskDelay(1000);
  }
}

void actuator_task(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 根据传感器数据控制执行器
    vTaskDelay(1000);
  }
}